Vannes intelligentes : Définition, principes de fonctionnement, avantages et applications de l'industrie 4.0

Votre usine est-elle confrontée à des arrêts imprévus ? L'augmentation des factures d'énergie et des coûts de maintenance gruge-t-elle vos bénéfices ? Vous n'êtes pas le seul. De nombreux sites industriels sont confrontés à une lutte constante contre le vieillissement de leurs équipements. Une simple défaillance d'une vanne peut entraîner l'arrêt de toute une chaîne de production. Cela vous coûte de l'argent et du temps. Cela peut même créer des risques pour la sécurité. Le problème s'aggrave à mesure que les systèmes deviennent plus complexes. Vous avez besoin d'un meilleur moyen de contrôler vos opérations.

Cet article présente une solution puissante : la vanne intelligente. Nous vous montrerons ce que sont les vannes intelligentes, comment elles fonctionnent et comment elles peuvent résoudre ces grands problèmes. Préparez-vous à découvrir comment cette technologie de vanne numérique est en train de changer les usines pour le mieux.

Qu'est-ce qu'une vanne intelligente ?

Définition de base d'une vanne intelligente

Une vanne intelligente est plus qu'une simple vanne automatisée. Il s'agit d'un système de vanne intelligent. Il s'agit d'une vanne avec un petit cerveau à l'intérieur. Elle est dotée de capteurs et d'un minuscule ordinateur (un microprocesseur). Cela permet à la vanne non seulement de s'ouvrir et de se fermer, mais aussi de réfléchir, de vérifier son état de santé et de communiquer avec d'autres machines.

Qu'est-ce qu'une vanne d'échantillonnage ?

Vanne intelligente vs vanne de contrôle traditionnelle vs vanne automatisée simple

Pour comprendre ce qu'est une vanne intelligente, comparons-la à d'autres vannes.

• Valve de contrôle traditionnelle : Cette vanne est commandée par un simple signal, comme la pression de l'air. Elle fait son travail, mais ne peut pas vous dire si quelque chose ne va pas. Elle n'a pas de cerveau.
• Vanne automatisée simple : Il s'agit d'une étape supérieure. Elle utilise un actionneur électrique intelligent ou un actionneur pneumatique intelligent pour s'ouvrir et se fermer. Vous pouvez la contrôler à partir d'un ordinateur. Mais elle ne peut toujours pas vous renseigner sur son état de santé ou sur les conditions à l'intérieur de la canalisation.
• Valve intelligente : C'est la plus avancée. Elle possède toutes les caractéristiques d'une vanne automatisée, plus des capteurs de vanne intelligents et une intelligence embarquée. Elle utilise un contrôleur de vanne numérique pour non seulement contrôler le débit, mais aussi pour effectuer des vérifications du système de diagnostic de la vanne. Il s'agit d'un élément clé de l'Internet industriel des objets (IIoT).

Composantes essentielles

Une vanne intelligente se compose de plusieurs éléments clés qui fonctionnent ensemble :

1. Corps de vanne : la partie principale à travers laquelle le fluide s'écoule. Il peut s'agir d'un robinet à bille, d'un robinet à papillon ou d'un robinet à soupape.
2. Actionneur : Le muscle de la vanne. C'est le moteur qui ouvre et ferme la vanne. Il peut s'agir d'un actionneur de vanne électrique ou pneumatique.
3. Positionneur intelligent : C'est le cerveau. Il s'agit d'un contrôleur de vanne numérique qui reçoit des commandes et contrôle avec précision la position de la vanne. Il recueille également des données.
4. Les capteurs : Ce sont les nerfs. Ils mesurent des éléments tels que la pression, la température, le débit et la position de la vanne. C'est là qu'interviennent les systèmes de retour d'information sur la position de la vanne.
5. Module de communication : La bouche et les oreilles. Il permet à la vanne de se connecter à un système de contrôle central tel qu'un système d'intégration de vannes SCADA ou un réseau de communication de vannes PLC.

La place des vannes intelligentes

Les vannes intelligentes sont un élément essentiel de l'automatisation industrielle moderne. Elles sont les mains et les pieds des grands systèmes de contrôle tels qu'un DCS (Distributed Control System) ou un SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Elles relient le monde physique des tuyaux et des fluides au monde numérique des salles de contrôle et des tableaux de bord de vannes basés sur le cloud.

Fonctionnement des vannes intelligentes - Architecture et flux de données

Comment une vanne intelligente utilise-t-elle son cerveau et ses nerfs pour améliorer le fonctionnement d'une usine ? Tout se résume à des données.

Couche capteurs - collecte de données

Cela commence par les capteurs. Une vanne intelligente est toujours sensible et à l'écoute. Elle recueille des données à chaque seconde :

• Position : La vanne est-elle ouverte, fermée ou entre les deux ?
• Pression : Quelle est la pression du fluide à l'intérieur du tuyau ?
• Température : Le fluide est-il chaud ou froid ?
• Débit : Quelle est la quantité de liquide qui passe ?
• Vibrations : Le robinet tremble-t-il ou bouge-t-il d'une manière qui pourrait indiquer un problème ?

C'est ce qu'on appelle la surveillance de l'état de la vanne.

Intelligence embarquée - contrôle local

Le positionneur intelligent, ou actionneur de vanne programmable, prend en compte toutes ces données de capteurs et y réfléchit. Il peut procéder lui-même à de petits ajustements pour assurer le bon déroulement du processus. S'il sent qu'il est de plus en plus difficile à déplacer, il sait qu'il est peut-être en train de se bloquer. C'est le début de l'automatisation des vannes par l'IA.

Couche de communication - dialogue avec le système

La vanne intelligente doit ensuite communiquer ce qu'elle sait. Elle utilise des langages spéciaux, appelés protocoles, pour communiquer avec l'ordinateur principal. Les protocoles les plus courants sont les suivants

• Protocole HART
• Contrôle des vannes par Modbus
• Vannes intelligentes Profibus
• Modules de vannes Ethernet/IP
• Systèmes de vannes OPC UA

Cette communication peut se faire par l'intermédiaire de câbles ou de systèmes de commande de vannes sans fil, ce qui en fait un élément clé de tout réseau industriel de vannes intelligentes.

Intégration avec les plateformes PLC / DCS / SCADA / cloud

Les données de la vanne sont transmises à un cerveau central, tel qu'un PLC ou un DCS. De là, elles peuvent être affichées sur une interface de vanne HMI (un écran pour l'opérateur) ou envoyées dans le nuage. Une fois dans le nuage, un puissant logiciel d'analyse des données de la vanne peut rechercher des modèles et prédire l'avenir.

Exemple de cycle de données

1. Événement : Une pompe d'un système de vannes intelligentes pour eaux usées augmente soudainement la pression.
2. Action de la vanne intelligente : Le capteur de pression de la vanne intelligente détecte le pic. La logique embarquée indique à l'actionneur de se fermer légèrement pour protéger le système.
3. Retour d'information sur le diagnostic : La soupape enregistre le fait qu'elle a dû travailler plus fort que d'habitude pour se fermer. Elle envoie ce paquet de données (couple, pression et temps) au système central.
4. Tableau de bord analytique : Le logiciel en nuage détecte cet événement de couple élevé. Il le compare à des milliers d'autres événements et le signale comme un signe de collage précoce de la vanne. Un ordre de travail est automatiquement créé pour que l'équipe de maintenance le vérifie lors du prochain arrêt planifié.

C'est ainsi qu'une vanne intelligente permet d'éviter qu'un petit problème ne devienne un gros problème coûteux.

Types de vannes intelligentes et de dispositifs connexes

La technologie intelligente peut être ajoutée à de nombreux types de vannes.

• Vannes de contrôle intelligentes : Il s'agit notamment de robinets à soupape, de robinets à tournant sphérique et de vannes de contrôle intelligentes. vanne papillon électrique types. Ils sont utilisés pour l'étranglement et le contrôle précis du débit, ce qui est essentiel dans les vannes de contrôle intelligentes HVAC et les usines chimiques.
• Vannes intelligentes de marche/arrêt et d'arrêt d'urgence (ESD) : Leur tâche est simple : ouvrir ou fermer. Mais une vanne ESD intelligente se teste régulièrement pour s'assurer qu'elle fonctionnera parfaitement en cas d'urgence.
• Électrovannes et valves proportionnelles intelligentes : Utilisées pour des commutations très rapides ou pour mélanger des quantités exactes de fluides. On les trouve dans les vannes de process pour l'industrie alimentaire et des boissons ou pour l'industrie pharmaceutique.
• Positionneurs intelligents et contrôleurs de vannes numériques : Ce sont les cerveaux. Des sociétés comme Siemens, Emerson et d'autres fabricants de premier plan proposent ces dispositifs. Ils peuvent être achetés séparément pour mettre à niveau les vannes existantes.
• Kits d'adaptation : Il n'est pas toujours nécessaire d'acheter une nouvelle vanne. Des kits de modernisation de vannes numériques peuvent être utilisés pour transformer une ancienne vanne automatisée en une vanne intelligente. Il s'agit d'un moyen rentable de bénéficier des avantages de l'automatisation décentralisée des vannes.

Principales caractéristiques et fonctions des vannes intelligentes

Qu'est-ce qui rend ces vannes si spéciales ? Ce sont leurs puissantes caractéristiques.

Surveillance en temps réel

Une vanne intelligente vous permet de voir ce qui se passe en ce moment même. Vous pouvez suivre sa course (combien elle s'est déplacée), son couple (la force qu'elle utilise) et son nombre de cycles (combien de fois elle s'est ouverte et fermée). C'est la surveillance à distance des vannes dans toute sa splendeur.

Diagnostics avancés

C'est là que la magie opère. Une vanne intelligente vérifie en permanence son propre état de santé. Elle peut détecter :

• Tendances en matière de frottement : La vanne devient-elle plus difficile à déplacer au fil du temps ?
• Détection des fuites : Le siège de la soupape est-il usé et laisse-t-il passer le liquide ?
• Détection des blocages : La vanne se bloque-t-elle dans une position ?

C'est comme si vous aviez un médecin pour chaque vanne de votre usine.

Maintenance prédictive et indices de santé

Comme la vanne se surveille en permanence, elle peut prévoir le moment où elle tombera en panne. C'est ce qu'on appelle la maintenance prédictive des vannes. Le système peut donner à la vanne un "score de santé" et estimer sa "durée de vie utile restante". Les données montrent que cette approche peut réduire les coûts de maintenance de 18 à 25% et les temps d'arrêt non planifiés de 50%.

Des fabricants de classe mondiale, tels que Navarch, sont spécialisés dans ce type de systèmes de contrôle à faible consommation d'énergie. Avec une capacité de production annuelle allant jusqu'à 8 000 tonnes de vannes sur cinq lignes de production efficaces, ils ont l'envergure et l'expérience nécessaires pour construire ces systèmes fiables. L'importance qu'ils accordent à un contrôle strict de la qualité garantit la précision et la fiabilité des données de diagnostic.

Configuration à distance et mise à jour du micrologiciel

Si vous devez modifier le mode de fonctionnement d'une vanne, vous n'avez pas besoin d'envoyer un technicien sur le terrain. Vous pouvez le faire depuis la salle de contrôle à l'aide d'un logiciel intelligent de configuration des vannes. Vous pouvez également envoyer des mises à jour du micrologiciel de la vanne pour lui donner de nouvelles fonctionnalités, tout comme vous le feriez pour votre smartphone.

Intégration avec les jumeaux numériques

Les données d'une vanne intelligente sont si bonnes qu'elles peuvent être utilisées pour créer une technologie de jumeau numérique de la vanne. Il s'agit d'un modèle informatique de la valve réelle. Vous pouvez tester les modifications sur le jumeau numérique avant de les effectuer dans le monde réel. La sécurité et l'efficacité s'en trouvent améliorées.

Avantages des vannes intelligentes pour les usines et les installations

L'utilisation de vannes intelligentes présente d'énormes avantages.

• Réduction des temps d'arrêt non planifiés : C'est le principal avantage. En prévoyant les défaillances, vous pouvez réparer les vannes avant qu'elles ne cassent. Une étude menée dans le secteur de la fabrication de ciment a révélé que les vannes intelligentes ont permis de réduire de ~40% les temps d'arrêt liés aux vannes, ce qui a permis à une usine d'économiser ≈US$2,1 millions d'euros en perte de production.
• Efficacité accrue des processus et économies d'énergie : Les vannes intelligentes permettent un contrôle plus étroit. Cela signifie moins de gaspillage de produit et d'énergie. Par exemple, il a été démontré que les vannes rotatives intelligentes à haut rendement réduisent les fuites d'air comprimé jusqu'à 15% et diminuent la pression du système de 20 à 35%. Cela se traduit par de réelles économies sur vos factures d'énergie.
• Réduction des coûts de maintenance : Vous pouvez cesser d'effectuer la maintenance en fonction d'un calendrier ("basée sur le temps"). Au lieu de cela, vous ne l'effectuez que lorsque la vanne en a besoin ("basée sur l'état"). Cela signifie moins d'heures de travail et moins de pièces de rechange.
• Amélioration de la sécurité et de la conformité réglementaire : Les fuites et les défaillances peuvent être dangereuses. Les vannes intelligentes vous aident à trouver et à réparer les fuites à temps. Elles créent également un enregistrement parfait de toutes les activités de la vanne, ce qui est important pour les audits de sécurité.
• Une meilleure prise de décision : Avec des mois ou des années de données provenant de vos vannes, vous pouvez voir des schémas que vous n'aviez jamais vus auparavant. Cela vous aide à prendre des décisions plus intelligentes sur la façon de gérer votre usine.

Cas d'utilisation et applications des vannes intelligentes par industrie

Les vannes intelligentes sont utilisées dans presque toutes les industries.

• Pétrole, gaz et pétrochimie : Pour l'automatisation des vannes de raffinerie et le contrôle d'énormes vannes d'oléoducs et de gazoducs. La sécurité étant essentielle, la maintenance prédictive est indispensable.
• Fabrication de produits chimiques et pharmaceutiques : La précision est essentielle. A vanne de régulation proportionnelle peut fournir la quantité exacte de produit chimique pour un lot parfait à chaque fois.
• Traitement de l'eau et des eaux usées : Pour des vannes de gestion de l'eau intelligentes. Dans les logements étudiants, un système d'eau intelligent avec des vannes d'arrêt automatisées a permis de réduire la consommation d'eau de ≈68%, ce qui représente une économie annuelle de plus de 111 000 livres sterling.
• Production d'énergie et systèmes à vapeur : Le contrôle de la vapeur à haute pression est difficile. Les vannes intelligentes dotées de vannes de contrôle à haute température peuvent supporter la pression et fournir des avertissements précoces d'usure.
• CVC et bâtiments intelligents : Les vannes d'automatisation des bâtiments sont utilisées pour contrôler le chauffage et la climatisation. Les vannes de contrôle intelligentes HVAC peuvent réduire la consommation d'énergie d'un bâtiment en s'assurant qu'aucune pièce n'est jamais trop chaude ou trop froide.
• Produits alimentaires, boissons et procédés hygiéniques : Les vannes automatisées sanitaires sont conçues pour être facilement nettoyées et empêcher la prolifération des bactéries. Les versions intelligentes de ces vannes peuvent vérifier que les cycles de nettoyage ont été effectués correctement.

Comment choisir la bonne vanne intelligente - Liste de contrôle de l'acheteur

Prêt à passer à la vitesse supérieure ? Voici une liste de contrôle pour vous aider à choisir le bon fournisseur de vannes intelligentes industrielles.

1. Définir les termes "processus" et "média" : Quel fluide la vanne contrôlera-t-elle ? Est-il corrosif ? Quelles sont les plages de pression et de température ?
2. Exigences en matière de performance du contrôle : Quelle doit être la précision de la commande ? Quelle doit être la rapidité de réaction de la vanne ?
3. Profondeur de diagnostic requise : Avez-vous besoin d'alertes de santé de base ou d'une détection prédictive approfondie des défaillances de la vanne ?
4. Compatibilité des protocoles et des systèmes : La vanne doit-elle parler Modbus, Profibus ou un autre langage pour se connecter à votre PLC/DCS ?
5. Exigences en matière de cybersécurité : Si la vanne est connectée à Internet (vannes connectées au nuage), vous devez la protéger contre les pirates informatiques. Recherchez une cybersécurité solide pour les réseaux de vannes.
6. Modernisation ou nouvelle installation : Est-il préférable de moderniser vos anciennes vannes ou d'en installer de nouvelles ?
7. Coût total de possession : Ne vous contentez pas du prix initial. Pensez aux économies d'énergie, de maintenance et de temps d'arrêt pendant la durée de vie de la vanne. Une vanne de haute qualité fabriquée par un fabricant expérimenté de vannes intelligentes peut coûter plus cher au départ, mais vous faire économiser beaucoup plus sur le long terme.

FAQ sur les vannes intelligentes

Quelle est la différence entre une vanne intelligente et une vanne automatisée ?

Une vanne automatisée peut être contrôlée à distance. Une vanne intelligente peut également le faire, mais elle est également équipée de capteurs embarqués et d'un microprocesseur pour surveiller sa propre santé et ses performances, ce qui permet des diagnostics avancés et une maintenance prédictive.

Les vannes intelligentes doivent-elles toujours être connectées au cloud ?

Non. De nombreuses vannes intelligentes fonctionnent sur un réseau de contrôle local connecté au PLC ou au DCS d'une usine. C'est ce qu'on appelle les vannes intelligentes "edge-computing". La connectivité au nuage ajoute de la puissance, permettant l'analyse de données provenant de milliers de vannes réparties sur de nombreux sites, mais elle n'est pas toujours nécessaire.

Comment les vannes intelligentes permettent-elles la maintenance prédictive dans la pratique ?

Ils recueillent des données sur les performances, telles que le couple nécessaire à l'ouverture et à la fermeture. Une augmentation du couple au fil du temps indique une usure ou un collage. Le système intelligent de gestion des vannes utilise des algorithmes pour analyser ces tendances et avertir les opérateurs d'une défaillance probable avant il se produit, ce qui permet de programmer la maintenance.

Quel est le temps de retour sur investissement typique pour passer à des vannes intelligentes ?

Ce délai varie en fonction de l'application. Pour les projets d'économie d'énergie, le retour sur investissement peut être aussi rapide que 18 mois. Dans les applications critiques où une seule panne peut entraîner un arrêt d'un million de dollars, le retour sur investissement pour un seul incident évité est instantané. Pour un adoucisseur d'eau classique, le retour sur investissement est généralement de 3 à 5 ans.

Les vannes intelligentes peuvent-elles être utilisées dans des applications dangereuses ou classées SIL ?

Oui. De nombreux fabricants proposent des vannes intelligentes et des actionneurs de vannes électriques certifiés pour une utilisation dans des zones dangereuses (ATEX) et dans des systèmes instrumentés de sécurité (SIL). Ces vannes sont spécialement conçues pour éviter les étincelles et sont construites avec la fiabilité requise pour les fonctions de sécurité critiques.