Simulation de modèles de procèdes cryogéniques

Simulation de modèles de procèdes cryogéniques

Encadrant ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR Julien Encadrants CERN : M. Pezzetti & M. Bradu

PROJET DE FIN D’ETUDESSoutenance du 26/06/2009

Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire

Section TE / CRG /Control & Electricity

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I – Introduction 1. le CERN 2. le LHC 3. le rôle de la section TE/CRG/CE

II – La Cryogénie 1. Cryogénie 2. Equipements cryogéniques 3. Représentation

III – Simulation de modèles 1. PROCOS 2. Boite froide TCF50 3. Boite froide Linde

IV - Conclusion26/06/2009 Page 2/35

Sommaire


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INTRODUCTION


Laboratoire sur la Physique des particules depuis 1954

Accélérateurs de particules (LINAC, PS, SPS, LHC)

Détecteurs de particules (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb)

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Le CERN


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Le LHC- Le plus grand accélérateur de particules du monde- 27 km de circonférence dans un tunnel à 100 m de profondeur- 9300 aimants supraconducteurs refroidis à -271.3°C

Le Tunnel du LHC Observation des collisions


Département TE : Technologie Groupe CRG : Cryogénie Section CE : Control and Electricity Rôle :

Migrations technologiques des automates Conception et Réalisation des installations

électriques indispensables au fonctionnement des automates

Conception des Synoptics et mise en place des supervisions des installations sous PVSS

Support électrique

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Le rôle de la section TE/CRG/CE


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LA CRYOGENIE


Définition générale : L’ensemble de la science et des applications faisant intervenir les basses températures : inférieures à 120 K

(-153 °C). Pour le LHC:

La cryogénie est utilisée dans bien d’autres domaines : Médecine, Métallurgie, Aerospatiale, Chimie…

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Utilisation de la cryogénie au CERN

Courber et Focaliser les particules du

faisceau

8 Tesla de champ magnétique

(énorme)

Utilisation d’électroaimants, 13000

Ampères nécessaires pour 8 Tesla

Utilisation d’aimants

Supraconducteurs

Fonctionnement caractéristiques de ces

supraconducteurs à -271,3C

Besoin de la Cryogénie : seul fluide liquide à cette température

Hélium


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Les équipements cryogéniques d’un réfrigérateur

Compresseur Echangeurs thermiques Turbines Vannes Joule-Thomson Stockage de l’hélium

Decharge

Charge

GrandBypass

PetitBypass

TamponHelium

Compresseur

HP

BP

PC

PC

PT_HP

PT_BP

26/06/2009 Page 10/35I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Représentation

Diagramme TS Cycle Thermodynamique


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Présentation des Projets-

Simulation de Modèles


Origine : Projet Scientifique afin de mieux connaître les

phases transitoires des procédés cryogéniques Thèse de Benjamin Bradu – Modélisation

composants Application pratique utilisée dans la section

TE/CRG/CE

Les enjeux : Tester les programmes PLC avant mise en service Simulation pour les opérateurs :

Tester des nouvelles stratégies de contrôle Observer les évolutions du procédé en temps réel

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Origine et Enjeux de la Simulation au CERN

Structures réelle et simuléeArchitecture PROCOS :

²EcosimPro 4.4



Différents outils communiquant entre eux : Développement du modèle sous EcosimPro

v4.4.0 Logique de contrôle via les Simulateurs PLC

(Unity ou S7) Supervision avec un SCADA (Supervisory Control

and Data Acquisition) : PVSS Utilisation du Standard UNICOS Utilisation d’une communication OPC entre tous

ces outils

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PROCOS (PROcess and COntrol Simulation)

EcosimPro 4.4


Les étapes de la démarche “Faire une Simulation” :

1. Analyse et Calculs Thermodynamique + Mécanique des fluides

Etude du point de fonctionnement théorique (Bilan thermique) Dimensionnement des vannes Dimensionnement des paramètres Turbines (freins, efficacité…) Estimation des chutes de pression

2. Simulation numérique Informatique et Mathématique

3. Intégration de la logique de contrôle et de régulation dans la simulation Automatique26/06/2009 Page 15/35

La Démarche Simulation


Données manquantes (paramètres turbines, dimensionnement vannes) ou capteurs non présents (de débit la plupart du temps)

Estimation par calculs Problèmes numériques (oscillations vannes) Modification des modèles dans EcosimPro Modification du bilan thermique Nouvelles analyses du fonctionnement Logique à implémenter Prendre le temps de la compréhension du

système et de la logique pour la traduire dans un nouveau programme clair dans EcosimPro26/06/2009 Page 16/35

Difficultés rencontrées

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BOITE FROIDE CRYOLAB

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Boite froide du Cryolab au bâtiment 163 Puissance de réfrigération 400 [email protected] K 2 turbines 5 échangeurs thermiques 1 compresseur

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Boite froide TCF50 (Cryolab)


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Modèle EcosimPro Boite Froide TCF50


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Résultats de Simulation TCF50

L’évolution des températuresNiveau et Chauffage dans le séparateur de phase

Régulation des contrôleursComparaison des diagrammes T-S


« Virtual Commissioning »

Modèle Boite FroideApplication C++ :

« CPS.exe »Adresse IP : 137.138.15.85

Simulateur APILogiciel : Unity

Adresse IP : 137.138.15.85

Supervision PVSSServer OPCAdresse IP :

137.138.15.86

EcosimPro 4.4


Analyse de la Supervision


Pourquoi optimiser cette régulation ?- Dépassement trop élevé- Envie de faire cette étude

Solution :- Identification paramétrique- Test de Nouveaux paramètres de régulation

Mise en place rapide grâce :-Toolbox Matlab pour l’identification- Application Simulink pour test des paramètres- Logiciel de Simulation EcosimPro et le modèle

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Identification paramétrique Optimisation de Régulation

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Dépassement trop élevé (>20%)


Première étape – Recueil de Données : Estimer le temps de réaction du

système

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Identification paramétriqueOptimisation de Régulation

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Première étape – Recueil de Données : Excitation du système avec un signal muni d’un grand nombre

de fréquences (SBPA)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000100

150

200

250

300

350u1

Signal SBPA utilisé

Simulation de l’évolution du niveau en fonction du SBPAToolbox Matlab Données Importées

Première étape – Recueil de Données : Enregistrement des données et Importation dans la Toolbox

Matlab


Deuxième étape – Validation du Modèle

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Comparaison Process et Modèle

Analyse de la similarité entre Process et Modèle


Troisième Etape – Test de Nouveaux Paramètres de Régulation

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Modèle issu de l’identification

Observation du Niveau

Test de Paramètres PI

Consigne

Utilisation du modèle sous Simulink pour test nouveaux paramètres de

régulationTest SimulinkTest sous EcosimPro


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Boite Froide Linde 18 kW

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Type de boite froide utilisée aux point 6 et 8 du LHC

Puissance de réfrigeration 18 [email protected] K 10 turbines 10 échangeurs thermiques Station de compression avec 5 compresseurs

(“High Stage” et “Low Stage”)

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Boite froide Linde (LHC)


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Architecture typique pour le LHC

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

Sha

ftS

urfa

ceC

aver

nTu

nnel

LHC Sector (3.3 km) LHC Sector (3.3 km)

1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box

Even pointOdd point Odd point

MP StorageMP Storage MP Storage

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

Sha

ftS

urfa

ceC

aver

nTu

nnel


1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box



UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

UpperCold Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box


ColdCompressor

box

Sha

ftS

urfa

ceC

aver

nTu

nnel


1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box



UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

Boite froide

Linde 18 kW


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Modèle sous EcosimPro


Régulation des vitesses des turbines

Origine théorique

Programme Automate existant

Traduction de cette logique

sous EcosimPro

Particularités pour chaque

turbine


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Résultats de Simulation

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Les températuresNiveau et Chauffage dans le séparateur de phaseLes débits

Les pressions

Comparaison Diagramme TS Données Constructeurs et Simulation

Operating Work Station PVSS +

Unity PLC SimulatorIP Address: 137.138.118.97

Computer Name : CWE-M-LABO5

DataServer PVSS + OFS

IP Address : 137.138.118.96Computer name :

CWE-M-LABO4

CPS.exe (CMS, 163 ou 1.8 K) +

Unity PLC SimulatorIP Address : 137.138.118.98

Computer Name : CWE-M-LABO6


Mise en place d’un laboratoire de simulation

Station Opérate

ur

Application C++

du modèle

Serveur de

Données

Réalisation Modèle boite froide TCF50 pour tester programme automate – délai respecté

Etude de la régulation de niveau avec identification paramétrique

Réalisation Modèle boite froide Linde pour le LHC Mise en place d’un laboratoire de simulation

Découverte d’un nouveau domaine : La Cryogénie Participation dans l’ensemble de la chaîne du contrôle-

commande Apprentissage de l’organisation scientifique du travail

d’ingénieur Expérience inestimable


Conclusion


Avez-vous des questions

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Merci de votre attention

Documents

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