8.1
Classification
de la Technique
MCT
L’abréviation
MCT a été
utilisée par les
spécialistes de
la technologie
de commande et
de régulation
pendant des
décennies, bien
avant l’ère de
l’ordinateur.
MCT a désormais
pris une
nouvelle
signification
avec le
développement de
l’automatisation
du bâtiment à
l’aide de la
technique de
commande et de
régulation
numérique (DDC).
Les systèmes
d’automatisation
des bâtiments
sans DDC
faisaient partie
auparavant du
domaine de
responsabilité
du planificateur
en électricité,
alors que la
technologie de
mesure et de
régulation
appartenait à la
technologie de
chauffage et de
climatisation.
A l’état de
développement et
au potentiel de
marché actuels
de la technique
de contrôle des
bâtiments, un
domaine de
planification
indépendant et
interdisciplinaire
pour la
technique de
mesure, de
commande, de
régulation et de
contrôle
s’impose. De
plus en plus de
planificateurs
en MCT offrent
leurs services
pour la
planification de
la commande, la
régulation, la
gestion, et
l’optimisation
de la
consommation
d’énergie de
toutes les
installations du
bâtiment.
8.1.1
Que
signifie
mesurer ?
Mesurer signifie
relever une
quantité
physique (telle
que la
température,
l’humidité, la
pression, etc.)
à l’aide d’un
appareil de
mesure approprié
et l’indiquer
comme une
grandeur connue
et comparable ou
la convertir en
un signal
standard DC 0…10
V, 0…20 mA. Un
tel signal
standard peut
être enregistré
comme une valeur
de mesure sur un
enregistreur de
valeur de
mesure, indiqué
sur un
indicateur à
distance, ou lu
dans un système
d’enregistrement
de données de
mesure (fig.
8-1).
Fig.
1 Processus de
principe de la
mesure
8.1.2
Qu’est-ce
que la
commande ?
Si dans une
pièce, un
appareil de
chauffage
électrique muni
par exemple d’un
relais à trois
étages est
commuté sur la
position 1,
alors une
certaine
température
ambiante en
résultera. Si
l’appareil de
chauffage est
commuté sur la
position 2 ou 3,
alors on obtient
une autre
température
correspondante
plus élevée qui
dépend des
conditions
momentanées de
l’environnement.
Plus la
température
extérieure est
froide, plus le
rendement de
l’appareil de
chauffage doit
être élevé, pour
maintenir la
pièce
suffisamment
chaude.
Si la pièce est
chauffée par un
système de
chauffage à eau
chaude, par ex.
chauffée par des
radiateurs, la
température du
radiateur doit
être d’autant
plus élevée que
la température
extérieure est
basse. Une
commande
automatique peut
assumer la tâche
d’ouvrir ou de
fermer la vanne
du radiateur
selon la
température
extérieure (Fig
8-2).
L’appareil de
commande 2
devrait dans ce
cas calculer le
réglage de la
vanne à l’aide
de la valeur de
mesure 1 de la
température
extérieure et
envoyer l’ordre
de commande
correspondant au
servomoteur 3 de
la vanne du
radiateur.
1
Sonde de
température
extérieure
2
Appareil de
commande
3
Vanne du
radiateur
4
Radiateur
Fig.8-2 Exemple
de commande
automatique
1 Sonde
de température
extérieure
2
Appareil de
commande
3
Vanne du
radiateur
4
Radiateur
L’unité de
commande ne se
règle que sur la
température
extérieure et ne
reçoit aucun
message de
retour de la
température
ambiante
actuelle. Ainsi,
pour une
certaine
température
ambiante, la
vanne du
radiateur sera
réglée
exactement de la
même façon,
indépendamment
du fait que le
soleil donne
dans la pièce ou
pas ou que
beaucoup ou peu
de personnes
séjournent là.
Cette commande
ne permet donc
pas de maintenir
la température
ambiante à une
valeur
constante, mais
plutôt dans une
certaine plage.
8.1.3
Qu’est-ce
qu’une
régulation ?
Les processus de
régulation
n’apparaissent
pas seulement en
technologie,
mais aussi dans
la nature et
dans notre vie
de tous les
jours. Le point
de départ est
toujours un
certain état
souhaité ou
cible que l’on
compare avec
l’état actuel.
S’il n’y a pas
de différence
entre ces deux
valeurs, alors
la situation est
satisfaisante et
il n’y a pas de
raison de
changer l’état
actuel. Si
cependant il y a
une différence,
alors nous
cherchons des
moyens de la
supprimer.
Exemple :
Une personne se
trouvant dans
une pièce (Fig.
3) désire une
température
ambiante de
20°C. A l’aide
d’un
thermomètre, la
personne
constate que la
température
ambiante
actuelle est de
24°C.
Le problème se
situe donc dans
la différence
entre la
température
actuelle (x =
24°C) et la
température
souhaitée ou
cible (w =
20°C). Dans ce
cas, la
différence
s’élève à
x – w = 24 – 20
= + 4 Kelvin.
Afin de pouvoir
corriger la
température trop
élevée à la
valeur désirée
de 20 °C, la
personne a
besoin de savoir
réduire
l’émission de
chaleur du
radiateur à
l’aide d’une
vanne manuelle,
et aussi de
savoir si la
vanne doit être
ouverte ou
fermée. Après
qu’elle a tourné
quelque peu la
vanne, elle
observe le
thermomètre de
nouveau. Elle
règle la vanne
du radiateur
jusqu’à ce que
la température
souhaitée de
20°C soit
atteinte.
Fig.
8-3 Exemple de
régulation
manuelle
W
Température
souhaitée
x
Température
ambiante
Z
Rayonnement
solaire
Ce processus de
régulation
exécuté par une
personne
représente un
circuit fermé :
la personne lit
la température
ambiante x sur
le thermomètre,
la compare avec
la valeur
souhaitée w
stockée dans sa
tête, détermine
la différence et
pense à la façon
de la corriger.
Elle effectue
ensuite la
correction sur
la position de
la vanne, la
température
ambiante change
et peut être lue
de nouveau.
Dans le cas
d’une régulation
automatique
(fig. 8-4), les
tâches de
mesure,
comparaison et
correction sont
effectuées par
un appareil de
commande. Une
sonde 1 mesure
la température
ambiante x et
transmet
l’information à
l’appareil de
commande 2. Cet
appareil de
commande compare
la valeur de
mesure avec la
valeur de
consigne w et
envoit le signal
de commande
correspondant à
la vanne du
radiateur. Le
nouveau réglage
de la vanne
provoque un
changement de la
température
ambiante, qui
est de nouveau
détecté par la
sonde et le
processus se
répète. Le
circuit est
ainsi fermé.
Fig.
8-4 Exemple de
commande
automatique
1
Sonde de
température
ambiante
2
Appareil de
commande
3
Vanne du
radiateur
Z
Rayonnement
solaire
Dans le circuit
de commande,
chaque variation
de réglage est
détectée par la
sonde de la
température
ambiante. Si la
température
ambiante
augmente à cause
de « grandeurs
perturbatrices »
(Z) comme le
rayonnement
solaire, les
appareils
électroménagers
ou des personnes
supplémentaires,
la vanne de
chaud est fermée
jusqu’à ce que
la température
de la valeur de
consigne
souhaitée soit
de nouveau
atteinte.
8.1.4
Comparaison
commande et
régulation
La différence
principale entre
la commande et
la régulation
peut être
illustrée à
l’aide d’un
exemple de
mélange d’air
extérieur / air
repris. La Fig.
8-5 montre la
commande de
l’air extérieur
à l’aide de la
température de
l’air extérieur.
Chaque
température de
l’air extérieur
mesurée par la
sonde 1
correspond à une
certaine
position du
clapet commandée
par l’appareil
de commande 2.
La température
de l’air de
mélange se règle
proportionnellement,
mais n’est pas
re-communiquée à
l’appareil de
commande. C’est
un circuit
ouvert.
Fig.8-5 Commande
de la
température
d’air de mélange
1
Sonde de
température
extérieure
2
Appareil de
commande
La Fig 8-6
montre la même
configuration
air extérieur /
air repris qu’en
Fig 8-5, mais en
tant que circuit
de régulation.
La valeur de
consigne w de la
température
d’air de mélange
est réglée sur
le régulateur 4.
La valeur de
mesure de la
sonde 3 est
comparée avec la
valeur de
consigne à
l’entrée du
régulateur. S’il
y a une
différence, le
réglage du
clapet est
modifié par le
régulateur
jusqu’à ce que
la température
de l’air de
mélange
corresponde à la
valeur de
consigne réglée.
C’est un circuit
fermé.
fig. 8-6
Régulation de la
température
d’air de mélange
3
Sonde de
température de
mélange
4
Régulateur
w Valeur de
consigne de
température de
mélange
8.1.4.1
Exemple :
Commande et
Régulation d’une
installation de
chauffage
L’installation
de régulation du
chauffage la
plus utilisée
dans la
construction de
logements est la
régulation de la
température de
départ selon la
température
extérieure. Il
s’agit d’une
combinaison de
commande et de
régulation. La
fig. 8-7 montre
le schéma de
cette
combinaison.
Commande
Dans la fig.
8-7, la sonde de
température
extérieure 1
envoi son signal
de mesure à
l’appareil de
commande 2. A
l’aide d’une
courbe de
chauffage
programmée, il
calcule la
température de
départ de l’eau
chaude requise
pour atteindre
une température
ambiante
minimale de par
exemple 20°C
pour la
température
extérieure
momentanée
donnée. Il envoi
ensuite la
valeur de
consigne
correspondante
au régulateur 3
de la
température de
départ. Une
température
ambiante d’au
moins 20°C est
ensuite réglée
qui n’est plus
mesurée par
aucune sonde et
qui n’est plus
corrigée par
aucun
régulateur. La
température
ambiante peut
donc changer à
partir de la
valeur calculée
par l’appareil
de commande,
elle peut par
exemple
augmenter à
cause du
rayonnement
solaire, des
appareils
électriques ou
de personnes
supplémentaires
présentes dans
la pièce ou
diminuer quand
une fenêtre est
ouverte. C’est
une commande de
la température
ambiante en
circuit ouvert.
fig. 8-7
Régulation de la
température de
départ selon la
température
extérieure
1
Sonde de
température
extérieure
2
Appareil de
commande avec
courbe de
chauffage
3
Régulateur
4
Vanne mélangeuse
5
Sonde de
température de
départ
8.1.5
Régulation
La situation est
différente pour
la régulation.
Comme nous
l’avons déjà
expliqué,
l’appareil de
commande 2
calcule la
valeur de
consigne w pour
le régulateur de
la température
de départ 3. Le
régulateur
compare la
valeur actuelle
mesurée x de la
sonde de
température de
départ 5 avec la
valeur de
consigne w. Il
calcule ensuite
le signal de
réglage y sur
base de la
différence
(x-w). Le
servomoteur 4
règle la vanne
mélangeuse de
manière à ce que
la température
de départ
corresponde à la
valeur de
consigne. Comme
la température
de départ est
mesurée en
permanence et
que la valeur de
mesure est
renvoyée au
régulateur, il
s’agit d’un
circuit fermé et
donc d’une
régulation de la
température de
départ.
8.2
Technique
de gestion des
bâtiments
La Gestion du
Bâtiment est
la gestion, la
surveillance et
l’optimisation
de la technique
du bâtiment à
l’aide d’un
système
d’automatisation
du bâtiment
supporté par un
ordinateur. De
tels systèmes
d’automatisation
du bâtiment sont
installés dans
de grands
bâtiments de
bureaux, des
centres
commerciaux, des
hôpitaux, des
halls de gare,
des aéroports,
etc. Dans ces
systèmes, les
installations de
technique du
bâtiment
s’influencent
l’une l’autre et
offrent donc des
possibilités
pour
l’optimisation
du
fonctionnement
et de l’énergie.
Des systèmes
modernes de
gestion
interviennent
dans la
technologie de
mesure, de
commande et de
régulation de
ces
installations,
où sont
effectuées des
fonctions
complexes de
commande et de
régulation à
l’aide d’une
technologie
numérique que
l’on peut
programmer
librement (DDC =
Direct Digital
Control).
Le matériel d’un
système
d’automatisation
des bâtiments
est structuré
hiérarchiquement
(Fig 8-8) sur
trois
niveaux minimum:
gestion,
automatisation,
terrain :
Le niveau de
gestion
Le niveau de
gestion
comprend un
ordinateur
central et les
appareils
d’entrée et de
sortie requis
pour le
fonctionnement
et la
surveillance,
tels que les
terminaux à
écran couleur
pour les images
actualisées de
l’installation
et les
imprimantes de
rapport et
imprimantes
graphiques. Ce
niveau commande,
surveille et
coordonne les
niveaux
hiérarchiques
inférieurs et
assume ainsi des
fonctions
comme :
· la
commutation de
groupes
d’installations
selon le
programme
horaire
· la
production des
messages de
service, de
dysfonctionnement
et d’alarme
·
l’optimisation
de la
consommation
d’énergie
· l’analyse
et la
visualisation
des données de
mesure et de
fonctionnement.
Ce traitement
des données
donne par
exemple des
données de
consommation
d’énergie, des
statistiques de
dysfonctionnements
ou des
informations
requises pour la
gestion de la
maintenance.
fig. 8-8
Structure
hiérarchique
d’un système
d’automatisation
du bâtiment
Le niveau
d’automatisation
Le deuxième
niveau, le
niveau
d’automatisation,
commande, régule
et surveille des
installations
techniques du
bâtiment ou de
la maison. Ces
dernières
fonctionnent de
façon autonome
dans une large
mesure de
manière à ce
qu’en cas de
dysfonctionnement
du niveau de
gestion, les
installations
puissent
continuer à
fonctionner sans
perturbations.
Les fonctions
d’optimisation
du système ne
sont plus
efficaces dans
un tel cas. Le
matériel du
niveau
d’automatisation
est généralement
situé dans une
armoire de
commande de
l’installation
concernée et
dispose
d’éléments de
commande
manuelle plus ou
moins
confortables.
Les appareils
modulaires
d’entrée/sortie
(modules I/O)
forment
l’interface de
communication
entre les
ordinateurs du
processus du
niveau
d’automatisation
et les appareils
de mesure, de
réglage et de
signalisation
des
installations.
Les signaux
d’entrée/sortie
(I/O) sont
traités par les
ordinateurs et
sont seulement
transmis au
niveau de
gestion en cas
de besoin. Les
signaux binaires
(ex. :
entrée/sortie,
1/0, haut/bas)
peuvent être
directement
traités, les
signaux
analogiques
(ex. :
résistance
électrique,
tension, courant
ou pression)
doivent d’abord
être convertis
en signaux
numériques à
l’aide de
convertisseurs
analogique-numérique
(A/D).
Le niveau du
terrain
Le troisième
niveau, le
niveau du
terrain,
comprend les
appareils de
mesure, de
réglage, de
commutation et
de signalisation
dans les
installations
techniques du
bâtiment comme
dans les
circuits de
régulation d’une
pièce
individuelle ou
d’une zone. Dans
les
installations
techniques du
bâtiment, les
états actuels de
fonctionnement
sont relevés par
des sondes
et sont modifiés
par des
servomoteurs.
Concrètement,
cela implique :
·
l’enregistrement
de valeurs de
mesure comme la
température, la
pression, les
flux volumiques,
l’humidité ou
les impulsions
de comptage
(sondes)
· la
commutation des
moteurs et des
registres de
chauffage
électriques
(servomoteurs)
· le message
de retour des
réglages de
commutation des
appareils de
surveillance
(sondes)
· le réglage
des vannes et
des servomoteurs
rotatifs
(servomoteurs).
Le niveau du
terrain comprend
aussi les
installations
techniques de la
maison dans les
pièces où les
températures des
pièces
individuelles ou
des zones sont
réglées par un
accès de réglage
direct des
régulateurs aux
vannes des
radiateurs, aux
vannes d’eau
chaude ou froide
dans les
ventilo-convecteurs
ou les
éjecto-convecteurs,
les régulateurs
de flux
volumique dans
les systèmes VVS
ou les registres
de mélange dans
des boîtes de
mélange à deux
canalisations.
Le système de
gestion du
bâtiment peut
régler à
distance les
valeurs de
consigne de
centaines de
circuits de
régulation ou
interroger des
grandeurs de
réglage et à
partir de cela –
afin de conduire
la charge du
générateur de
chaud et de
froid –
transmettre
l’état général
de la charge des
installations
HVAC.
L’échange de
données au sein
du système de
gestion
s’effectue par
un bus de
données
spécifique au
système. Selon
la taille du
système, la
vitesse de
transmission
requise,
l’extensibilité,
ou la sécurité
de
fonctionnement,
différentes
structures
peuvent être
sélectionnées,
comme la
structure en
ligne, en
étoile, en
anneau ou en
arbre. Les
principes
suivants
s’appliquent à
l’échange de
données :
– L’échange de
données peut
s’effectuer
horizontalement
(au sein du
niveau) ou
verticalement
(entre les
niveaux).
– Chaque niveau
traite les
données qui lui
sont attribuées.
– Les données
qui doivent être
transmises à des
niveaux
supérieurs
devraient
d’abord être
réduites ou
comprimées à
l’essentiel.
Le respect
permanent de ces
principes
garantit
qu’aucun niveau
ne soit
surchargé avec
des données d’un
autre niveau.
|
