Mise à niveau du système de contrôle du four de cimenterie de Bornéo : étude de cas d'installation de câbles de contrôle industriel

En mars 2024, Borneo Cement Industries Sdn Bhd, un producteur de ciment de taille moyenne exploitant une usine de ciment intégrée de 1,2 million de tonnes par an à Miri, Sarawak, en Malaisie,a lancé un projet majeur de modernisation du système de contrôle de sa ligne de four rotatif vieille de 25 ansL'usine fournit du ciment en vrac et en sacs à des projets de construction à travers la Malaisie orientale et le Brunei.avec environ 70% de la production consommée par des projets d'infrastructure dans le corridor de la route pan-bornéenne.

L'équipe d'ingénieurs, dirigée par l'ingénieur électricien senior M. Azman bin Hashim,des problèmes persistants de dégradation du signal dans les circuits de contrôle du four lors des inspections d'entretien préventif de routine à la fin de 2023Selon les journaux de maintenance examinés lors de la réunion de lancement du projet le 15 mars 2024,les opérateurs ont signalé au moins 14 cas de défauts de communication intermittents des PLC au cours des six mois précédents;, affectant principalement la gestion du brûleur, le contrôle de la vitesse du refroidisseur de clinker et le positionnement de l'amortisseur du ventilateur de préchauffage.Chaque panne provoquait en moyenne 45 minutes de ralentissement de la production pendant que les techniciens effectuaient le dépannage manuel.

Le processus d'approvisionnement a débuté en janvier 2024, le service d'ingénierie de l'usine émettant une spécification technique détaillée à trois fournisseurs de câbles industriels préqualifiés.Après une période d'évaluation de quatre semaines comprenant des tests par échantillonnage, des visites sur place et un examen de la conformité technique, le contrat a été attribué avec une fenêtre d'installation cible de juin à juillet 2024 pour coïncider avec l'arrêt annuel prévu de l'usine pour les travaux d'entretien.

L'usine de Miri a été mise en service en 1999 avec une capacité initiale de 800 000 tonnes par an, augmentée à 1,2 million de tonnes en 2008.Le câblage de commande d'origine installé lors de la mise en service consistait principalement en câbles multicœurs isolés en PVC non blindés acheminés à travers des plateaux de câbles aériens dans le bâtiment du four.Au cours des deux décennies d'exploitation continue, l'usine a enregistré les problèmes suivants liés aux câbles documentés dans les rapports d'inspection technique:

• Vieillissement du câble:L'inspection visuelle effectuée en décembre 2023 a révélé des enveloppes extérieures en PVC durcies et fissurées sur environ 40% des câbles de commande dans la zone du four,avec des mesures de résistance d'isolation sur 12 segments de câble inférieurs au seuil de 1 MΩ spécifié dans la CEI 60364 pour les circuits de régulation basse tension.
• Interférence du signal:Les dossiers d'entretien ont montré une dérive récurrente du signal analogique sur les boucles d'émetteur de température (4-20 mA) situées à moins de 300 mm des câbles de puissance du moteur 415 V.L'historien du DCS de l'usine a enregistré un écart de signal supérieur à ±3% de la portée à six reprises au quatrième trimestre 2023, par rapport à la tolérance acceptable de ±0,5% spécifiée dans les fiches de données des instruments.
• Environnement hostile:La zone du four fonctionne à des températures ambiantes allant de 35°C à 65°C au niveau du plateau de câbles,avec une fuite occasionnelle d'air chaud provenant de la coque du four, augmentant les températures locales au-dessus de 80 °C près de la plate-forme du brûleur- l'accumulation de poussière de ciment sur les plateaux de câbles, associée à des niveaux d'humidité élevés (75-85% RH) pendant la saison des moussons entre novembre et février,a créé un micro-environnement corrosif qui a accéléré la dégradation de la veste.
• Vibration mécanique:Les mesures de vibration effectuées sur les plateaux de câbles de la tour de préchauffage ont montré des valeurs d'accélération maximales de 2,8 m/s2 au niveau du cyclone de cinquième étape, dépassant les 2,0 m/s2.seuil de 0 m/s2 recommandé par le fabricant du câble pour une installation fixe sans protection mécanique supplémentaire.
• Contamination par l'huile:Le brouillard hydraulique provenant du système de lubrification des rouleaux de poussée du four s'était déposé sur les surfaces des câbles dans la zone du compartiment d'entraînement.provoquant un gonflement et un ramollissement des chemises en PVC sur les câbles installés dans un rayon de 5 mètres de l'unité hydraulique.

La mise à niveau de l'automatisation comprenait le remplacement du système PLC-5 existant par une plateforme ControlLogix moderne, l'installation de 48 nouveaux instruments de terrain (émetteurs de température,émetteurs de pression, analyseurs de gaz et capteurs de position), et remplacement complet de tous les câbles de commande entre les boîtes de jonction de champ et la salle de commande centrale,couvrant une distance totale de câblage d'environ 4.2 kilomètres.

Le système de commande du four repose sur des câbles de commande basse tension pour plusieurs fonctions critiques qui ne peuvent tolérer la dégradation du signal:

• Communication avec le PLC:Digital I/O signals between the ControlLogix remote I/O racks in the kiln field junction boxes and the main processor in the central control room require clean 24V DC signal transmission with a maximum voltage drop of 1.5V sur le plus long câble de 280 mètres.
• Contrôle du moteur:commandes de démarrage/arrêt, rétroaction de fonctionnement et signaux de référence de vitesse (0-10V CC et 4-20 mA) pour 12 entraînements à fréquence variable contrôlant l'entraînement principal du four, le ventilateur ID, les entraînements de la grille du refroidisseur,et les ventilateurs de préchauffage exigent une intégrité du signal stable pour éviter les déplacements gênants et les oscillations de vitesse.
• Les boucles d'instrumentation:48 boucles analogiques de 4 à 20 mA reliant des émetteurs de température, des émetteurs de pression,et les analyseurs de gaz aux cartes DCS I/O nécessitent des câbles de commande en paire torsadée blindés pour maintenir la précision du signal à ±00,25% de la portée, comme spécifié dans les critères d'acceptation des performances de l'instrument.
• Systèmes de sécurité:Des circuits d'arrêt d'urgence, des verrous de sécurité,et le circuit d'alarme de surtempérature du scanner de la coque du four représentent les fonctions de sécurité SIL 2 qui doivent maintenir l'intégrité du signal dans toutes les conditions de fonctionnement, y compris en cas d'incendie.
• Intégration SCADA:Le système amélioré nécessitait une communication Modbus RTU via une paire torsadée RS-485 entre le PLC du four et le serveur SCADA de l'usine,nécessitant un câble de commande correctement blindé avec des caractéristiques d'impédance contrôlées.

L'équipe d'ingénieurs a évalué trois configurations de câbles avant la sélection finale. Le processus de sélection a été documenté dans le rapport d'évaluation technique TER-2024-003, daté du 22 février 2024.Les essais sur site ont impliqué l'installation temporaire d'échantillons de câbles de 50 mètres dans la zone de refroidissement du four pendant une période d'essai de deux semaines., avec surveillance continue de la résistance à l'isolation et de la qualité du signal à l'aide d'un multimètre d'isolation Fluke 1587 FC et d'un oscilloscope portable Yokogawa DL350.

Après avoir examiné les données des essais sur site et effectué une analyse coûts-avantages, l'équipe a sélectionné les spécifications de câbles suivantes:

La configuration à double écran a été choisie spécifiquement pour les 120 circuits de signaux analogiques reliant les instruments de terrain dans la tour de préchauffage et la zone de refroidissement.L'équipe d'ingénieurs a déterminé par des mesures effectuées sur le site que les câbles VFD de 415 V dans le même plateau de câbles généraient des champs d'interférence électromagnétique allant jusqu'à 15 V/m à 50 Hz dans une proximité de 200 mmLe câble à double écran réduit la tension sonore induite à moins de 50 mV dans les mêmes conditions,bien dans le seuil de 100 mV pour une intégrité fiable du signal de 4 à 20 mA.

L'installation du câble a commencé le 2 juin 2024, coïncidant avec le début de l'arrêt annuel de maintenance de 21 jours de l'usine.L'équipe d'installation était composée de 12 électriciens de l'équipe de maintenance électrique interne de l'usine., soutenus par quatre techniciens du service technique du fournisseur de câbles et deux ingénieurs de mise en service de l'intégrateur de systèmes d'automatisation.

L'installation a été réalisée selon une approche par étapes documentée dans la méthode MS-ELEC-2024-017:

• Phase 1 (jours 1 à 3):L'équipe a extrait environ 3,8 kilomètres de câbles vieillissants des plateaux de câbles, des conduits et des boîtes de jonction.Chaque câble retiré a été marqué et enregistré dans le registre de déclassement.L'équipe a découvert que 27 des 94 joints de la boîte de jonction avaient été détériorés, qui ont été remplacés par de nouveaux joints en silicone avant le début de l'installation du nouveau câble.
• Phase 2 (4 à 10 jours):Vingt-quatre fûts de câbles ont été positionnés à des points stratégiques de traction identifiés lors d'un démarrage pré-installation le 28 mai 2024.Tirage des câbles à l'aide de rouleaux de câbles électriques utilisés espacés à 3 mètres d'intervalle le long des sections droites du plateau et guidage manuel à travers des courbes d'un rayon d'au moins 8 fois le diamètre extérieur du câble. la plus longue traction unique mesurée à 175 mètres de la boîte de jonction du préchauffage du cinquième étage à l'armoire d'assemblage du plancher du four.non colorant) a été appliquée sur des tirages supérieurs à 100 mètres.
• Phase 3 (jours 8 à 14):Des glandes de câbles en laiton avec joints en néoprène ont été utilisées pour toutes les entrées de la boîte de jonction.Chaque noyau de câble a été identifié à l'aide de marqueurs imprimés réfractaires à la chaleur selon la norme d'identification KKS (Kraftwerk-Kennzeichen-System) de l'usineLes câbles de drainage des boucliers ont été terminés par des barres de bus de terre d'instrument dédiées dans chaque boîte de jonction, ce qui a permis de maintenir une couverture continue du bouclier de l'instrument de terrain à l'armoire DCS.
• Phase 4 (jours 12 à 18):L'acheminement des câbles à l'intérieur de la salle de contrôle implique des tranchées de câbles sous le sol avec des compartiments séparés pour les câbles de commande, les câbles d'alimentation et les câbles de communication,maintenir une séparation minimale de 300 mm entre les lignes des câbles de commande et d'alimentation comme spécifié dans la CEI 61000-5-2 pour la compatibilité électromagnétique.
• Phase 5 (15 à 20 jours):Test et mise en service. Chaque circuit de câble a subi un test de résistance à l'isolation (500 V CC, acceptation minimale de 100 MΩ), une vérification de la continuité et une mesure de la résistance à la boucle.La continuité du bouclier a été vérifiée de bout en bout avec une résistance maximale admissible de 1.0 Ω. Les circuits analogiques ont été soumis à des essais de stabilité du signal de 24 heures avec des entrées simulées de 4 à 20 mA à 0%, 50% et 100% de portée, surveillés par le poste de travail d'ingénierie DCS.

Plusieurs défis imprévus sont apparus pendant la période d'installation, documentés dans les journaux quotidiens du projet tenus par le superviseur du site, M. Lee Chong Wei:

• Fenêtre d'arrêt limitée:L'arrêt initial de 21 jours a été réduit à 18 jours après que le département de production a prolongé la production de clinker pour répondre à une commande d'exportation urgente pour le Brunei.L'équipe d'installation s'est réorganisée en deux équipes de 10 heures pour récupérer les trois jours perdus..
• Congestion du plateau de câbles:Les câbles d'alimentation existants et les câbles d'instrumentation de génération antérieure occupaient environ 70% de la section transversale du plateau de câbles disponible dans le bâtiment d'alimentation du four.laissant insuffisamment d'espace pour les nouveaux câbles de commandeL'équipe a installé 85 mètres de plateau de câbles perforés supplémentaires (400 mm de largeur) le long du mur nord du bâtiment de l'alimentation pendant les deux premiers jours de l'arrêt.
• Une humidité élevée pendant la fermeture:Les niveaux d'humidité de la saison de la mousson ont dépassé 85% RH au cours de la première semaine de travaux de finition, ce qui soulève des inquiétudes quant à la pénétration de l'humidité dans l'isolation XLPE avant le gland.L'équipe a déployé deux déshumidificateurs industriels à l'intérieur des boîtes de jonction pendant la fin et a utilisé des bouchons de respiration au gel de silice sur les boîtes de jonction dans les endroits exposés.
• Modification inattendue du routage:Au cours de l'enlèvement des vieux câbles, l'équipe a découvert qu'un conduit de câble abandonné de 11 kV, initialement marqué comme vide sur les dessins de la plante, s'était partiellement effondré et était occupé par des rongeurs nidifiants.L'équipe a redirigé 120 mètres de câble de commande par un chemin alternatif le long du mur est du bâtiment de refroidissement, nécessitant la fabrication de supports de support supplémentaires pour les plateaux de câbles.
• Coordination avec la mise en service des VFD:Le calendrier de mise en service du VFD de l'intégrateur d'automatisation était en conflit avec le calendrier de terminaison du câble des jours 14-16, car les deux équipes avaient besoin d'accéder aux mêmes cabines MCC.Une réunion de coordination quotidienne à 07 hL'heure d'ouverture a été fixée à 30 h 30, et le programme d'accès au MCC a été divisé en sessions du matin et de l'après-midi.

L'équipe du projet a mis en œuvre plusieurs solutions d'ingénierie de terrain pour relever les défis rencontrés:

• Installation du plateau de câbles supplémentaire:Les nouveaux plateaux de câbles de 400 mm installés dans le bâtiment d'alimentation ont été spécifiés comme galvanisés à chaud pour correspondre au matériau du plateau existant, avec des supports soudés aux colonnes d'acier du bâtiment à 1.Des intervalles de 5 mètresLe calcul de la charge a permis de vérifier que la structure existante pouvait supporter un poids supplémentaire de 12 kg/m par plateau.
• La mise à la terre améliorée pour les câbles à double écran:Pour les 120 circuits analogiques à double blindage, le blindage en feuille d'aluminium/polyester a été mis à la terre uniquement à l'extrémité de l'armoire DCS (blindage à point unique) afin d'éviter les courants de boucle de mise à la terre,tandis que le bouclier de tresse de cuivre a été mise à la terre aux deux extrémités pour la protection contre les EMI à haute fréquenceCette approche hybride, documentée dans le schéma de mise à la terre GS-2024-005, a été validée à l'aide d'un compteur de pince à terre Fluke 1630-2 FC.
• Vérification séparée du routage:A post-installation walkdown with the EPC contractor's electrical supervisor confirmed that all new control cables maintained minimum 300 mm separation from power cables throughout the cable tray routeCinq endroits où la séparation était inférieure à 250 mm ont été corrigés avant la fin de la procédure.
• Protocole de protection contre l'humidité:Les boîtes de jonction situées dans les tours de préchauffage exposées ont été équipées de drains respiratoires IP66 et les plaques de glandes ont été scellées avec un scellant en silicone à durcissement neutre après la fin.Le journal quotidien des essais de résistance à l'isolation n'a montré aucune dégradation pendant la période de forte humidité., confirmant l'efficacité des mesures de déshumidification.
• Système d'identification du câble:Un système d'identification des câbles à trois niveaux a été mis en œuvre: numéro de tambour de câble à chaque entrée de boîte de jonction, code de fonction KKS sur chaque plaque de glande et marqueurs de noyau individuels à chaque bloc terminal.Le superviseur électrique a noté que ce système réduisait les erreurs de terminaison d'environ 60% par rapport aux projets précédents où seuls des marqueurs de base étaient utilisés.

Le système de contrôle amélioré a été mis en service le 22 juin 2024 et le four a été réactivé avec succès le 23 juin 2024, ce qui a permis d'atteindre la pleine capacité de production de clinker dans les 36 heures suivant le redémarrage.La surveillance des performances après mise en service au cours des trois mois suivants (juillet-septembre 2024) a enregistré les observations suivantes::

• Stabilité de la communication avec le PLC:Le journal d'entretien a enregistré zéro événement de panne de communication PLC au cours des trois mois suivant la mise en service, contre 14 événements de panne au cours des six mois précédant la mise à niveau.L'ingénieur en fiabilité de l'usine, Mme Nurul Hayati, a noté lors de la réunion d'examen de l'entretien du troisième trimestre 2024 que "le système de contrôle a été le plus silencieux que nous ayons vu depuis mes sept ans dans cette usine".
• Précision du signal analogique:La vérification trimestrielle d'étalonnage effectuée en septembre 2024 a confirmé que les 48 boucles d'instruments de terrain maintenaient une précision du signal inférieure ou égale à ±0,15% de la portée, ce qui est confortable à ±0.Critère d'acceptation de 5%L'équipe de maintenance a attribué cette amélioration à l'élimination du bruit induit par la configuration du câble à double écran.
• Réduction du temps de dépannage:Le système d'identification structurée des câbles a permis aux électriciens de maintenance de tracer les circuits environ 40% plus rapidement lors d'une inspection de maintenance préventive en août 2024,selon les dossiers d'achèvement des ordres de travail du superviseur de la maintenance électrique.
• Observations opérationnelles:Les exploitants de fours n'ont signalé aucun cas de modulation inexpliquée du brûleur ou de préchauffage de la vitesse du ventilateur,problèmes qui se sont produits environ deux fois par mois et qui nécessitaient une intervention manuelleLe journal du superviseur de quart de travail pour juillet-septembre 2024 ne contient pas d'entrées liées aux anomalies du signal de contrôle.
• Temps de production:Le four a atteint un temps de fonctionnement de 98,2% au troisième trimestre 2024, contre une moyenne de 94,7% au même trimestre de 2023.l'élimination des temps d'arrêt liés aux signaux de contrôle a été identifiée comme un élément contribuant au rapport de production trimestriel.

L'équipe du projet a documenté plusieurs enseignements tirés lors de la réunion d'examen post-projet tenue le 15 août 2024:

• L'enquête pré-installation du plateau de câbles est essentielle:The discovery of cable tray congestion during installation could have been avoided with a detailed tray loading survey conducted during the engineering phase rather than relying on as-built drawings that were 15 years out of dateLes projets futurs devraient inclure une mesure physique de l'occupation des plateaux de câbles dans le cadre des résultats techniques détaillés.
• Le double blindage ajoute une valeur tangible dans les environnements à forte EMI:Le coût supplémentaire du câble à double écran (environ 22% de prime par rapport au câble à écran unique) était justifié par l'amélioration mesurée de l'intégrité du signal analogique.L'ingénieur en instruments de l'usine a recommandé que tous les circuits de signaux analogiques futurs dans les zones avec des câbles VFD devraient spécifier le double blindage comme une exigence standard.
• XLPE sur PVC dans les zones à haute température:Alors que le câble de commande isolé en PVC aurait été adéquat pour les zones à température ambiante, the selection of XLPE insulation for all kiln-area cables provided a uniform specification that simplified procurement and eliminated the risk of installing temperature-limited cable in a hot zone by mistake.
• L'investissement dans l'identification des câbles se rembourse en maintenance:Le système d'identification à trois niveaux a nécessité environ 15% de main-d'œuvre supplémentaire pendant l'installation,Mais les ingénieurs de maintenance ont estimé que cet investissement serait récupéré dans les deux premières années d'exploitation grâce à une réduction du temps de dépannage.
• Récupération de l'horaire en fonction du travail posté:The decision to implement two-shift working within 24 hours of the production department's shutdown reduction notification enabled the team to recover 80% of the lost time without compromising installation quality, comme le confirme le taux de réussite de 100% lors des premiers tests de câbles.

Sur la base des résultats de ce projet, l'équipe d'ingénieurs propose les recommandations suivantes pour des installations industrielles similaires de câbles de commande:

• Sélection protégée contre non protégée:Pour les circuits d'E/S numériques fonctionnant à 24 V CC dans des plateaux de câbles séparés des câbles d'alimentation d'au moins 300 mm, un câble de commande multicore non blindé est généralement suffisant.pour tout circuit de signal analogique (4-20 mA), 0-10V, thermocouple, RTD) ou circuit de communication numérique (RS-485, Modbus, Profibus), le câble blindé doit être spécifié comme étant obligatoire.Dans les environnements où les câbles de commande et d'alimentation partagent un plateau commun (même avec un séparateur métallique)Pour les circuits sensibles au bruit, un double blindage doit être envisagé.
• Sélection du matériau isolant:L'isolation par XLPE est recommandée pour les câbles de commande dans les zones où les températures ambiantes dépassent systématiquement 45 °C, comme les bâtiments de fours à ciment, les zones de coulée des aciéries et les chaudières des centrales électriques.La valeur de 90 °C continue du XLPE offre une marge de 20 °C par rapport au PVC (70 °C), ce qui prolonge considérablement la durée de vie des câbles dans des environnements à température élevée.
• Séparation des plateaux de câbles:Lorsque cela est pratique, les câbles de commande et les câbles d'alimentation doivent être placés dans des plateaux de câbles distincts.les câbles de commande doivent être séparés horizontalement des câbles d'alimentation d'au moins 200 mmCes recommandations dépassent les prescriptions minimales de la CEI 61000-5-2 et sont basées sur des mesures effectuées sur place montrant des tensions résiduelles induites avec et sans séparation.
• Stratégie de mise à la terre du bouclier:Pour les circuits de signaux analogiques, implémenter une mise à la terre en un seul point du bouclier global à l'extrémité réceptrice (généralement l'armoire DCS ou PLC).Le fil de vidange de chaque paire blindée doit être mis à la terre au même endroit.Pour les environnements bruyants à haute fréquence (par exemple, près des câbles de moteur VFD), la mise à la terre de la tresse en cuivre aux deux extrémités peut fournir une atténuation supplémentaire.mais cela doit être vérifié par mesure pour s'assurer qu'aucun courant de boucle de mise à la terre n'est introduit.
• Planification de l'expansion future:L'équipe du projet a recommandé que 25% de la capacité de rechange (largeur du plateau de câbles vide et terminaux de boîte de jonction de rechange) soit intégrée dans toutes les futures conceptions d'installation de câbles.le plateau supplémentaire installé dans le bâtiment d'alimentation a été dimensionné avec 30% de capacité de rechange, et les boîtes de jonction ont été spécifiées avec 25% de bornes de rechange, sur la base du plan d'expansion quinquennal de l'usine.
• Régime des inspections périodiques:Un programme d'inspection des câbles de commande doit être établi avec les intervalles suivants: inspection visuelle des plateaux de câbles accessibles tous les 6 mois (vérification des dommages mécaniques, contamination par l'huile,et l'intégrité du support); test de résistance à l'isolation des circuits critiques tous les 12 mois; et étude par imagerie thermique des lignes des plateaux de câbles tous les 24 mois pour identifier les points chauds susceptibles d'indiquer le développement de défauts.

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