Approche pour une gestion rationnelle des proceÌ ... - Symphos 2013
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2 nd International Symposium on Innovation and Technology in the<br />
Phosphate Industry (<strong>Symphos</strong> <strong>2013</strong>)<br />
Agadir, 6-10 mai <strong>2013</strong><br />
Cours « Modélisation et simulation <strong>des</strong> procédés »<br />
<strong>Approche</strong> <strong>pour</strong> <strong>une</strong> <strong>gestion</strong> <strong>rationnelle</strong> <strong>des</strong> procédés<br />
T. BOUNAHMIDI, Université Mohammed V-Agdal, Ecole Mohammadia d'Ingénieurs,<br />
Laboratoire d’Analyse et Synthèse <strong>des</strong> Procédés Industriels, B.P. 765 Rabat-Agdal, Maroc<br />
INTRODUCTION<br />
Les procédés industriels sont <strong>des</strong> systèmes complexes constitués de multitu<strong>des</strong> d’opérations<br />
unitaires généralement très diversifiées (réacteurs, séparateurs, échangeurs de chaleur,<br />
chaudières, turbines, pompes, compresseurs...) et interconnectées. Leur comportement dépend<br />
de celui de chac<strong>une</strong> de leurs unités et <strong>des</strong> interactions qui existent entre ces unités. A cause de<br />
la complexité <strong>des</strong> phénomènes mis en jeu, l'analyse de ce comportement <strong>pour</strong> les besoins de<br />
conception ou de conduite de procédés présente beaucoup de difficultés. Afin de vaincre ces<br />
dernières, le génie chimique ou l'actuel génie <strong>des</strong> procédés, a œuvré depuis sa création au<br />
début du siècle passé, au développement de métho<strong>des</strong> de plus en plus performantes et<br />
efficaces, <strong>pour</strong> <strong>une</strong> mise en œuvre <strong>rationnelle</strong> <strong>des</strong> procédés.<br />
Cependant, jusqu'à il y a <strong>une</strong> cinquantaine d'années, la presque totalité <strong>des</strong> efforts fournis par<br />
la communauté scientifique dans le domaine du génie chimique à l'échelle 'internationale,<br />
était orientée vers les techniques de conception et de dimensionnement <strong>des</strong> opérations<br />
unitaires. Très peu d'efforts ont été consacrés aux recherches relatives aux techniques de<br />
conduite susceptibles de permettre la maîtrise de la <strong>gestion</strong> <strong>des</strong> procédés existants. Pour ces<br />
problèmes de <strong>gestion</strong>, l'ingénieur de procédés se fait souvent aider par <strong>des</strong> ingénieurs d'autres<br />
spécialités: automatique, recherche opé<strong>rationnelle</strong>, mécanique, électricité ...<br />
Si cette façon de faire a permis d'obtenir le savoir faire nécessaire à la conduite <strong>des</strong> procédés<br />
de l'époque et d'un grand nombre de procédés d'aujourd'hui, elle ne permet pas <strong>pour</strong> autant de<br />
réaliser cette tâche de manière optimale. En effet, la <strong>gestion</strong> optimale <strong>des</strong> procédés exige <strong>une</strong><br />
connaissance approfondie de ces derniers, et ne peut, donc, être réalisée que si <strong>des</strong> techniques<br />
de conduite basées sur <strong>une</strong> telle connaissance sont disponibles.<br />
Ce n'est que vers la fin <strong>des</strong> années soixante et, plus particulièrement, après le premier choc<br />
pétrolier, qu'<strong>une</strong> partie de la communauté scientifique du domaine de génie chimique,<br />
poussée par le besoin de l'industrie en matière d'optimisation <strong>des</strong> performances <strong>des</strong> procédés<br />
et armée d'ordinateurs de plus en plus puissants, a commencé à développer <strong>des</strong> recherches en<br />
vue de développer <strong>des</strong> techniques de <strong>gestion</strong> optimale <strong>des</strong> installations industrielles.<br />
Malgré tous les efforts déployés dans ce domaine, il est regrettable de constater que les<br />
techniques développées sont très rarement utilisées à l'échelle industrielle. La conduite <strong>des</strong><br />
procédés continue toujours d’être considérée comme étant un art plutôt qu'<strong>une</strong> science.
Au laboratoire d'Analyse et de Synthèse <strong>des</strong> Procédés Industriels (LASPI) à l'Ecole<br />
Mohammadia d’Ingénieurs (EMI) de Rabat, nous développons en étroite collaboration avec<br />
l'industrie, depuis <strong>une</strong> trentaine d’années, <strong>des</strong> recherches sur <strong>des</strong> techniques de conduite de<br />
procédés.<br />
Nous présenterons dans cet article, à la lumière de notre expérience et de la littérature<br />
scientifique, les problèmes posés par la <strong>gestion</strong> <strong>des</strong> procédés et un ensemble de techniques,<br />
développées durant les trois dernières décennies, pouvant permettre de résoudre ces<br />
problèmes. Nous donnerons, ensuite, quelques recommandations en vue de mieux réussir<br />
l'utilisation de telles techniques à l'échelle industrielle.<br />
1. TECHNIQUES POUR UNE GESTION RATIONNELLE DES PROCEDES<br />
La mission de <strong>gestion</strong> d'un procédé industriel consiste à mettre en œuvre les moyens<br />
techniques et humains, prévus <strong>pour</strong> la réalisation de cette mission, en vue de produire un (<strong>des</strong>)<br />
produit(s) fini(s) ou semi-fini(s), avec <strong>une</strong> (<strong>des</strong>) capacité(s) et <strong>une</strong> (<strong>des</strong>) qualité(s) données,<br />
fixées par le marché, à partir de matières premières et d'utilités, en respectant <strong>des</strong> contraintes<br />
techniques, économiques, sociales, d'hygiène, de sécurité et d'environnement et en aboutissant<br />
à un profit.<br />
Les entreprises industrielles utilisatrices de procédés, évoluant dans un environnement régi<br />
par les lois de l'économie de marché, où la concurrence est de plus en plus sévère, et où les<br />
prix <strong>des</strong> matières premières, d'énergie et <strong>des</strong> produits fabriqués sont soumis à <strong>des</strong> fluctuations<br />
pouvant être très importantes (souvenons-nous du cas de pétrole), doivent utiliser <strong>des</strong><br />
métho<strong>des</strong> <strong>rationnelle</strong>s de <strong>gestion</strong> si elles désirent continuer d'exister.<br />
Nous décrivons, ci-après, certaines de ces techniques, en relation avec les problèmes qu'elles<br />
permettent de résoudre.<br />
1.1. Observabilité, redondance et validation <strong>des</strong> mesures<br />
La conduite et l'analyse <strong>des</strong> performances d'un procédé ne peuvent être effectuées que si l'on<br />
dispose d'<strong>une</strong> connaissance fiable de l'état de celui-ci. Cette connaissance ne peut être acquise<br />
que si le procédé est muni d'<strong>une</strong> instrumentation suffisante permettant de mesurer le plus<br />
grand nombre possible de variables qui le caractérisent. L'idéal serait de mesurer toutes les<br />
grandeurs. Cependant, à cause de difficultés technologiques ou du coût élevé <strong>des</strong> capteurs,<br />
certaines de ces variables ne sont pas mesurées.<br />
Lorsque le nombre de variables mesurées diminue, le coût de l'instrumentation et le degré de<br />
connaissance de l'état du procédé diminuent aussi. De ce fait, un compromis doit être<br />
recherché entre le degré de fiabilité de la connaissance de l'état du procédé et le coût <strong>des</strong><br />
instruments nécessaires. Le choix de ce compromis doit être effectué en tenant compte de la<br />
nature du procédé et <strong>des</strong> conditions relatives à la sécurité de fonctionnement de celui-ci.<br />
Si les variables qui décrivent un procédé ne peuvent pas être toutes mesurées, il est nécessaire<br />
d'évaluer les variables indéterminées à l'aide <strong>des</strong> mesures effectuées. Trois problèmes se<br />
posent alors.<br />
Le premier est relatif à la détermination du nombre minimum de variables à mesurer <strong>pour</strong> que<br />
le procédé soit observable. Un procédé est dit observable, si ses variables non mesurées sont<br />
calculables à l'aide <strong>des</strong> variables mesurées en utilisant les équations de contraintes imposées<br />
au procédé. La précision de l'estimation de l'état du système dépend de celle <strong>des</strong> mesures<br />
brutes utilisées. Plusieurs combinaisons de variables du procédé peuvent aboutir à la
détermination de celui-ci. Le choix entre elles doit être effectué en tenant compte <strong>des</strong> prix <strong>des</strong><br />
capteurs et <strong>des</strong> besoins de contrôle et de conduite du procédé en question. L'étude de ce<br />
problème doit déboucher sur le classement <strong>des</strong> variables selon l'observabilité.<br />
Le deuxième problème, posé par l'estimation de l'état du procédé à partir <strong>des</strong> mesures, est<br />
celui de l'amélioration de la précision de cette estimation. Lorsque le nombre <strong>des</strong> variables<br />
mesurées dépasse le seuil minimum nécessaire à l'observabilité du procédé, et à cause <strong>des</strong><br />
erreurs de mesures, les équations de contraintes imposées au procédé ne sont jamais<br />
satisfaites. Des mesures en surplus, appelées mesures redondantes doivent être réconciliées<br />
(ou validées) de manière à satisfaire les contraintes qui en dépendent.<br />
De quel nombre de variables redondantes doit-on disposer? Et quelles sont ces variables qui<br />
permettent la validation <strong>des</strong> principales variables d'intérêt? La résolution du deuxième<br />
problème va permettre de répondre à ces deux questions, et ce en classant les variables selon<br />
la redondance.<br />
Enfin, le troisième problème posé par l'estimation de l'état du procédé est celui de la<br />
réconciliation (validation) <strong>des</strong> mesures redondantes.<br />
Ainsi, il apparaît de l'analyse précédente qu'<strong>une</strong> étude de l'observabilité et de redondance doit<br />
être menée au préalable <strong>pour</strong> obtenir le plan de l'instrumentation nécessaire à la conduite du<br />
procédé en question. Une fois ce plan établi, les mesures collectées sur l'installation<br />
industrielle doivent, toujours, être analysées avant toute utilisation ultérieure. En effet, à<br />
cause <strong>des</strong> erreurs qui accompagnent les mesures et qui peuvent être de nature aléatoire,<br />
systématique, ou accidentelle, les équations de contraintes soumises au procédé ne sont<br />
jamais satisfaites.<br />
L'analyse <strong>des</strong> mesures peut être effectuée à l'aide de la technique de validation qui consiste à<br />
réconcilier les mesures en minimisant un critère quadratique, formé de la somme <strong>des</strong> carrés<br />
<strong>des</strong> écarts, entre les mesures et leurs valeurs validées, pondérés, chacun, par l'inverse de la<br />
variance de la mesure correspondante. Cette minimisation est soumise aux équations de<br />
contraintes du procédé.<br />
La validation <strong>des</strong> mesures est donc un problème d'optimisation avec contraintes qui,<br />
d'habitude, est résolu à l'aide de la technique <strong>des</strong> multiplicateurs de Lagrange.<br />
L'analyse <strong>des</strong> mesures à l'aide de cette technique de validation, va permettre d'obtenir un état<br />
cohérent du procédé et de réaliser, le cas échéant, le diagnostic du procédé en détectant <strong>des</strong><br />
incohérences, <strong>des</strong> capteurs en défaut ou la présence de fuite(s) matière(s) ou d'énergie.<br />
Plusieurs chercheurs se sont intéressés, depuis plus d’<strong>une</strong> trentaine d'années environ, aux<br />
problèmes d'observabilité, de redondance et de validation <strong>des</strong> mesures collectées sur les<br />
procédés industriels (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). Des logiciels permettant la résolution <strong>des</strong> ces<br />
problèmes sont commercialisés: BELSIM - VALI (8), DATREC,BILCO, EUTERP, ... (7).<br />
Vu l'intérêt de ces techniques <strong>pour</strong> la conduite de procédés, certains logiciels qui leur<br />
correspondent ont été développés par les industriels eux-mêmes : DATREC (par ELF France-<br />
Solaize), EUTERP (par RHONE POULENC Industrialisation-Décines) ...<br />
1.2. Contrôle <strong>des</strong> procédés<br />
Alors que les techniques d'observabilité, de redondance et de validation <strong>des</strong> mesures<br />
permettent de déterminer un état cohérent d'un procédé, à un instant donné (en régime<br />
dynamique) et sur <strong>une</strong> période donnée (en régime stationnaire), les techniques de contrôle de<br />
procédés permettent de fixer <strong>une</strong> partie <strong>des</strong> variables caractéristiques de cet état à <strong>des</strong> valeurs<br />
de consigne (régulation), ou de les asservir à d'autres variables (asservissement).
En régulation, le premier problème à résoudre est celui relatif au choix <strong>des</strong> variables à<br />
contrôler. En effet, les procédés étant <strong>des</strong> systèmes multi- variables, ce choix doit être dégagé<br />
à partir de l'analyse <strong>des</strong> degrés de liberté du procédé (9). Cette analyse nécessite le<br />
développement d'un modèle mathématique décrivant le comportement physico-chimique du<br />
procédé.<br />
Un deuxième problème, lié au contrôle de procédés, est celui relatif au mariage <strong>des</strong> variables<br />
contrôlées et manipulées. Cet aspect du contrôle multi-variables ne peut être résolu de<br />
manière efficace, que si l'on dispose du modèle mathématique précité. L'algorithme de<br />
contrôle multi-variables peut, lui aussi, être conçu sur la base du même modèle (9).<br />
Même si la théorie de contrôle abonde d'algorithmes, la presque totalité de ces derniers<br />
s'adresse aux systèmes mono-variables. Ce qui présente <strong>une</strong> lac<strong>une</strong> importante <strong>pour</strong> la<br />
conduite optimale <strong>des</strong> procédés. Contrairement aux autres stratégies de contrôle qui sont<br />
souvent étudiées à l'aide de modèles boîte noire, le contrôle multi-variables nécessite, <strong>pour</strong><br />
être performant, un modèle de connaissance permettant de générer les relations de cause à<br />
effet entre les différentes variables concernées. Ce type de contrôle ne peut donc être maîtrisé<br />
que si le génie <strong>des</strong> procédés participe très activement à son développement. Nous pensons,<br />
aussi, que le très grand "gap" existant entre la recherche dans le domaine de contrôle et les<br />
applications <strong>des</strong> résultats de cette recherche aux procédés est dû, en grande partie, à<br />
l'insuffisance de la participation du génie <strong>des</strong> procédés au développement de ce domaine.<br />
1.3. Analyse <strong>des</strong> historiques de fonctionnement <strong>des</strong> procédés<br />
Les historiques de fonctionnement d'un procédé sont constitués <strong>des</strong> évolutions <strong>des</strong><br />
différentes variables caractéristiques de l'état du procédé. Ces évolutions sont obtenues<br />
à l'aide de systèmes d'acquisition de données, qui, il y a un demi siècle, étaient<br />
constitués essentiellement d'enregistreurs analogiques et qui deviennent de plus en plus<br />
informatisés.<br />
Actuellement, les systèmes de conduite numérique avec supervision équipent la<br />
majorité <strong>des</strong> procédés exploités dans les pays développés et un nombre, de plus en plus<br />
important, de procédés installés dans les pays en développement.<br />
A l'aide de ces systèmes <strong>une</strong> masse d'information considérable est disponible en temps<br />
réel sur toutes les variables mesurées, continues ou logiques, du procédé en question.<br />
Cette masse d'information, organisée sous forme de base de données, est exploitée par<br />
un logiciel de supervision permettant d'assurer les principales fonctions suivantes:<br />
- Programmation et configuration <strong>des</strong> différents appareils connectés (régulateurs,<br />
automates ... );<br />
- Emission de journaux;<br />
- Affichage de vues de conduite hiérarchisées;<br />
- Stockage d'historiques et archivage de données.<br />
Il appartient, donc, aux utilisateurs de ces systèmes de conduite d'en tirer profit, <strong>pour</strong><br />
<strong>une</strong> meilleure <strong>gestion</strong> de leurs procédés. Cet objectif ne peut être atteint que si <strong>des</strong><br />
techniques appropriées sont utilisées <strong>pour</strong> l'utilisation de l'information disponible.<br />
En effet, comment peut-on s'assurer de manière quantitative d'un changement dans le<br />
comportement d'un procédé en utilisant les historiques, si on ne maîtrise pas les techniques<br />
statistiques et de traitement du signal? comment peut-on déceler si un tel<br />
changement est dû à l'effet d'<strong>une</strong> variable plutôt qu'à celui d'<strong>une</strong> autre ou à celui de<br />
plusieurs variables simultanément, si on n'utilise pas les techniques d'analyse de<br />
données telle que celle de la surface de réponse, basée sur les régressions multilinéaires
pas à pas (10)?<br />
Au préalable, les mesures acquises par le système de conduite doivent être traitées par<br />
la technique de validation, décrite ci-<strong>des</strong>sus, <strong>pour</strong> obtenir <strong>des</strong> états cohérents du<br />
procédé. Ce sont ces états qui doivent faire l'objet d'historiques et de traitement<br />
statistiques et non les mesures brutes.<br />
1.4. Optimisation <strong>des</strong> procédés<br />
L'optimisation de procédés peut être menée par deux voies complémentaires:<br />
-La première voie concerne l'optimisation de la structure du procédé. Même si <strong>pour</strong> les<br />
installations existantes cette structure a été déjà choisie, et même si ce choix a fait<br />
l'objet, à l'origine, d'<strong>une</strong> optimisation technico-économique, <strong>pour</strong> tenir compte de<br />
l'évolution de ces dernières, la structure du procédé doit être revue régulièrement au<br />
cours de la durée de vie du procédé. Les métho<strong>des</strong> d'optimisation correspondantes<br />
relèvent du domaine de la synthèse optimale de procédés.<br />
- La deuxième voie est celle qui consiste à optimiser le point de fonctionnement, <strong>pour</strong><br />
<strong>une</strong> structure donnée du procédé. Ces métho<strong>des</strong> font partie <strong>des</strong> techniques de conduite<br />
optimale de procédés.<br />
Nous décrivons, ci-après, très brièvement, chac<strong>une</strong> de ces deux catégories de métho<strong>des</strong>.<br />
1.4.1. Techniques de synthèse optimale de procédé:<br />
Des recherches visant le développement de techniques de synthèse optimale de<br />
procédés, ont commencé réellement depuis plus d’<strong>une</strong> trentaine d'années avec les<br />
travaux de LINNHOFF et ses collaborateurs sur la synthèse optimale <strong>des</strong> réseaux<br />
d'échangeurs de chaleur dans les procédés (11). La méthode du point de pincement<br />
"Pinch Technology", développée grâce à ces travaux, a fait l'objet de beaucoup<br />
d'applications réussies dans différents secteurs industriels.<br />
Cette méthode, dont le développement continue, toujours, grâce aux travaux de l'équipe<br />
de LINN HOFF et de plusieurs autres équipes de recherche à travers le monde, se base<br />
sur <strong>une</strong> représentation graphique <strong>des</strong> courants du procédé dans un diagramme enthalpie<br />
(H) - température (T). Tous les courants chauds nécessitant un refroidissement sont<br />
représentés par <strong>une</strong> seule courbe, appelée courbe globale <strong>des</strong> courants chauds, et tous les<br />
courants froids nécessitant un réchauffement sont représentés par <strong>une</strong> seule courbe, appelée<br />
courbe globale <strong>des</strong> courants froids, qui est positionnée sur le diagramme (H-T) de manière à<br />
ce que, au point où l'écart entre les deux courbes précisées est le plus faible, cet écart doit<br />
être égal à l'écart minimum de température, consenti <strong>pour</strong> la réalisation du transfert de<br />
chaleur entre les courants du procédé. Le point en question est le point de pincement. Sa<br />
détermination permet de fixer les utilités minimales, chau<strong>des</strong> et froi<strong>des</strong>, nécessaires <strong>pour</strong><br />
satisfaire les besoins énergétiques du procédé.<br />
La comparaison de ces quantités d'utilités minimales à celles consommées réellement par le<br />
procédé en question permet de dégager les possibilités d'économie d'énergie qu'on peut<br />
réaliser moyennant un surplus d'investissement. Ce surplus peut être calculé à l'aide de la<br />
méthode de "<strong>des</strong>ign" du "Pinch". La faisabilité de la réalisation du projet d'amélioration<br />
dépend du temps de remboursement fixé par l'investisseur (12).<br />
Contrairement à la méthode "Pinch", qualifiée d'heuristique, d'autres métho<strong>des</strong> d'intégration<br />
énergétique <strong>des</strong> procédés, qualifiées d'algorithmiques, ont vu le jour durant ces trois dernières<br />
décennies (13). Ces métho<strong>des</strong> se basent sur <strong>des</strong> techniques de programmation linéaires ou non<br />
linéaires en variables mixtes (continues, en nombres entiers et logiques). Quoique de mise en
œuvre complexe, ces métho<strong>des</strong> ont l'avantage de s'appliquer à la synthèse de procédés de<br />
manière générale.<br />
1.4.2. Techniques de conduite optimale de procédés:<br />
Deux approches d'optimisation peuvent être adoptées: l'approche empirique et l'approche par<br />
simulation à l'aide d'un modèle mathématique.<br />
Les algorithmes d'optimisation utilisés <strong>pour</strong> ces deux approches peuvent être les mêmes; la<br />
seule différence entre elle réside au niveau de l'évaluation de la fonction objectif (11). Pour<br />
l'approche empirique, cette évaluation est effectuée à l'aide de mesures collectées sur<br />
l'installation industrielle dont on cherche à optimiser le point de fonctionnement ; alors que<br />
dans le cas de l'approche par simulation, l'évaluation de la fonction-objectif est réalisée à<br />
l'aide d'un modèle mathématique décrivant le procédé de façon adéquate.<br />
Il faut souligner, cependant, que, vu les risques auxquels sont soumis les équipements, le<br />
personnel et les matières traitées dans le procédé, l'approche empirique basée sur les essais à<br />
l'échelle industrielle n'est que très rarement adoptée.<br />
Ainsi, seule l'approche par simulation peut présenter un intérêt <strong>pour</strong> l'optimisation du point de<br />
fonctionnement de procédé.<br />
1.5. Techniques de modélisation et de simulation de procédés<br />
Avant de pouvoir appliquer l'approche d'optimisation par simulation à un procédé, il faut que<br />
les étapes suivantes soient réalisées au préalable:<br />
- Modélisation <strong>des</strong> principaux phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans le procédé en<br />
question. Ces phénomènes sont ceux relatifs à la thermodynamique <strong>des</strong> mélanges en<br />
présence, à la cinétique <strong>des</strong> transformations chimiques et/ ou biologiques, aux transferts de<br />
matière et de chaleur et à l'écoulement de la matière dans les appareils du procédé.<br />
- Modélisation <strong>des</strong> opérations unitaires composant le procédé. Celle-ci est effectuée sur la<br />
base <strong>des</strong> équations de conservation de la matière, de l'énergie et de la quantité de mouvement,<br />
autour <strong>des</strong> appareils mis en jeu.<br />
- Modélisation du procédé global. Le modèle de celui-ci est formé <strong>des</strong> équations <strong>des</strong> modèles<br />
<strong>des</strong> différents appareils du procédé et <strong>des</strong> équations de liaison entre ces appareils.<br />
- Estimation <strong>des</strong> paramètres de performance du procédé, sur la base de mesures collectées sur<br />
l'installation industrielle. En effet, certains paramètres <strong>des</strong> modèles, tels que ceux relatifs aux<br />
transferts de chaleur, de matière ou de quantité de mouvement, ou ceux relatifs à<br />
l'écoulement, sont difficilement extrapolables et ne peuvent être estimés de façon fiable, qu'en<br />
se basant sur <strong>des</strong> mesures collectées sur l'installation industrielle réelle, après leur validation.<br />
Cependant, ces mesures ne doivent être utilisées à cette fin que si elles sont réconciliées entre<br />
elles.<br />
- Simulation du procédé. Celle-ci consiste à résoudre les équations du modèle du procédé,<br />
<strong>pour</strong> étudier l’un <strong>des</strong> problèmes suivants :<br />
* déterminer le comportement d'<strong>une</strong> installation existante, <strong>pour</strong> <strong>des</strong> entrées données de celuici<br />
(simulation: détermination <strong>des</strong> sorties connaissant les dimensions <strong>des</strong> appareils, les<br />
paramètres de performance de ces appareils, ainsi que les valeurs <strong>des</strong> variables<br />
caractéristiques du point de fonctionnement);<br />
* calcul <strong>des</strong> dimensions d'appareils connaissant les entrées et les sorties du procédé<br />
("<strong>des</strong>ign");<br />
* détermination du point de fonctionnement du procédé, connaissant les dimensions<br />
géométriques <strong>des</strong> appareils ainsi que les sorties spécifiées du procédé (conduite).<br />
Des progiciels de simulation de procédés, spécialisés essentiellement dans les procédés<br />
pétrochimiques et de raffinage de pétrole, ont été développés durant les quatre dernières<br />
décennies (ASPEN Plus, BELSIM, PROII, PROSIM ... ).<br />
Cependant, de tels logiciels ne sont pas encore bien rodés <strong>pour</strong> d'autres types de procédés,
comme ceux relatifs aux procédés biologiques, agro-alimentaires, de traitement de solide, ...<br />
2. GESTION DE PROCEDES ASSISTEE PAR ORDINATEUR<br />
Grâce aux systèmes de conduite avec supervision, les différentes techniques de conduite,<br />
présentées ci-<strong>des</strong>sus, peuvent être mariées de façon harmonieuse <strong>pour</strong> <strong>une</strong> <strong>gestion</strong> intégrée du<br />
procédé assistée par ordinateur en ligne. Le système de conduite avec supervision (ordinateur<br />
de contrôle), permet de collecter toutes les mesures qui lui sont branchées. Celles-ci sont,<br />
ensuite, analysées par un logiciel de validation de mesures qui fournira, il <strong>une</strong> fréquence<br />
donnée choisie au préalable, un état de diagnostic <strong>des</strong> fuites et d'instruments de mesure<br />
défectueux. Un tel état est d'<strong>une</strong> grande utilité <strong>pour</strong> la <strong>gestion</strong> de la maintenance mécanique<br />
(élimination <strong>des</strong> fuites) et de la maintenance de l'instrumentation du procédé.<br />
La validation <strong>des</strong> mesures va permettre d'obtenir, aussi, <strong>des</strong> valeurs cohérentes de toutes les<br />
variables caractéristiques du fonctionnement du procédé (état cohérent). Un historique <strong>des</strong><br />
états cohérents sera obtenu et analysé statistiquement à l'aide d'un logiciel, en vue de dégager<br />
<strong>des</strong> tendances éventuelles dans l'évolution du comportement du procédé et d'obtenir <strong>des</strong><br />
relations de cause à effet entre les variables du procédé. Une conduite intelligente du procédé<br />
peut être basée sur les résultats de cette analyse en utilisant un système expert tel que celui<br />
développé par l'équipe de STEPHANOPOULOS à MIT.<br />
Les états cohérents obtenus par la validation vont servir, aussi, à identifier quelques<br />
paramètres de performance du procédé (coefficients de transfert <strong>des</strong> échangeurs de chaleur,<br />
rendement d'<strong>une</strong> chaudière ou d'<strong>une</strong> turbine…). Il s'en déduit un historique de ces<br />
paramètres, dont l'analyse peut servir à la <strong>gestion</strong> <strong>des</strong> équipements correspondants. Ainsi, le<br />
fonctionnement d'un échangeur peut être arrêté lorsque son coefficient d'encrassement<br />
dépasse un certain seuil jugé critique.<br />
Ces mêmes valeurs de paramètres de performance, seront exploitées <strong>pour</strong> les besoins de<br />
simulation. La simulation en régime dynamique du procédé va permettre d'obtenir les<br />
informations dynamiques nécessaires à la synthèse <strong>des</strong> contrôleurs du procédé. La simulation<br />
en régime stationnaire sera utilisée <strong>pour</strong> l'optimisation en ligne du point de fonctionnement de<br />
ce procédé.<br />
Ainsi, il apparaît de cette <strong>des</strong>cription que la conduite de procédés assistée par ordinateur,<br />
permet d'intégrer les fonctions de <strong>gestion</strong> du point de fonctionnement et de la maintenance du<br />
procédé. C'est donc <strong>une</strong> technologie "C.I.M.: Computer Integrated Manufacturing".<br />
3. DE L’UTILISATION DES TECHNIQUES DE GESTION RATIONNELLE DES<br />
PROCEDES DANS L’INDUSTRIE<br />
De façon générale, la <strong>gestion</strong> <strong>des</strong> procédés est assurée par <strong>des</strong> ingénieurs de génie chimique<br />
ou l'actuel génie <strong>des</strong> procédés. C'est donc à ces ingénieurs qu'incombe la responsabilité<br />
d'atteindre les objectifs attendus de cette <strong>gestion</strong>. Malheureusement, force est de constater que<br />
malgré les efforts déployés <strong>pour</strong> un bon usage <strong>des</strong> techniques de <strong>gestion</strong> <strong>rationnelle</strong> <strong>des</strong><br />
procédés décrites plus haut, l’utilisation réussie de ces techniques par les industriels euxmêmes<br />
est relativement rare. Ceci peut être justifié par plusieurs raisons complémentaires :<br />
- La formation classique en génie <strong>des</strong> procédés par rapport à cet aspect fait apparaître deux<br />
importantes lac<strong>une</strong>s: 1) l'étude <strong>des</strong> opérations unitaires est effectuée généralement en régime<br />
stationnaire et en utilisant <strong>des</strong> mélanges très simplifiés supposés idéaux: l'analyse en régime<br />
dynamique est très rarement utilisée; 2) Les techniques de conduite présentées dans cet<br />
article, sont très peu étudiées au niveau ingénieur et sont très peu maîtrisées par les ingénieurs<br />
en activité dans le domaine de <strong>gestion</strong> de procédés.
- Les simulateurs de procédés disponibles dans le commerce ne sont pas aisés à mettre en<br />
œuvre par les ingénieurs de production dont les tâches classiques ne leur permettent pas de<br />
dégager le temps nécessaire <strong>pour</strong> un bon usage de ces simulateurs.<br />
- L’utilisation de ces logiciels par <strong>des</strong> cadres <strong>des</strong> services de R&D ou d’ingénierie sans<br />
expérience suffisante en <strong>gestion</strong> de production est rarement couronnée de succès.<br />
Ainsi, un meilleur usage <strong>des</strong> techniques précitées dans l’industrie nécessite <strong>des</strong> efforts de la<br />
part <strong>des</strong> opérateurs académiques et industriels à la fois. D’un côté, la formation en Génie <strong>des</strong><br />
Procédés doit être révisée en vue de renforcer les composantes liées à la <strong>gestion</strong> <strong>rationnelle</strong><br />
<strong>des</strong> procédés telles que décrite dan cet article et ce, en établissant <strong>des</strong> collaborations étroites<br />
avec les secteurs industriels <strong>pour</strong> mener cette formation à bien. De l’autre, les industriels<br />
concernés doivent être dotés de service « Procédés » comportant <strong>des</strong> ingénieurs de procédés<br />
dotés d’<strong>une</strong> expérience suffisante en matière de production, et <strong>des</strong> ingénieurs de recherche<br />
assez expérimentés en modélisation et simulation <strong>des</strong> procédés travaillant en équipe avec les<br />
premiers. Ces deux catégories d’ingénieurs auraient suivi <strong>une</strong> bonne formation dans le<br />
domaine concerné soit en formation initiale ou en formation continue bien conçue.<br />
4. RECHERCHE SUR LES TECHNIQUES DE CONDUITE DE PROCEDES<br />
Comme cela a été présenté, ci-<strong>des</strong>sus, la maîtrise de la <strong>gestion</strong> <strong>des</strong> procédés nécessite la mise<br />
en œuvre de techniques relativement complexes qui demandent à être développées davantage<br />
en mettant en œuvre <strong>des</strong> programmes de recherches appropriés. Contrairement à d'autres<br />
types de recherches en génie <strong>des</strong> procédés qui peuvent être menées, presque exclusivement,<br />
sur <strong>des</strong> installations de laboratoire et semi-pilote, les recherches relatives à la conduite de<br />
procédés doivent se dérouler en bonne partie sur les installations industrielles. Ce qui exige<br />
<strong>une</strong> collaboration très étroite entre le laboratoire de recherche universitaire et l'industrie<br />
concernée.<br />
CONCLUSION<br />
Dans cet article, nous avons présenté quelques techniques de conduite de procédés,<br />
développées durant les quatre dernières décennies.<br />
Ces techniques sont très peu utilisées dans l'industrie, par manque de leur maîtrise de la part<br />
<strong>des</strong> ingénieurs de procédés et par le manque de structure adéquate dans l’industrie. Une<br />
proposition est avancée <strong>pour</strong> améliorer cette situation en déployant <strong>des</strong> efforts par les<br />
établissements de formation d’ingénieurs de procédés <strong>pour</strong> doter les secteurs industriels<br />
d’ingénieurs mieux formés dans ce domaine, d’<strong>une</strong> part, et par les industriels <strong>pour</strong> constituer<br />
<strong>des</strong> services « Procédés » dotés d’ingénieurs bien expérimentés en matière de <strong>gestion</strong> de<br />
production et en ingénieurs de R&D assez expérimentés en modélisation et simulation de<br />
procédés.<br />
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