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.
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