simulation de modèles de procèdes cryogéniques
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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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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INTRODUCTION
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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LA CRYOGENIE
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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Présentation des Projets-
Simulation de Modèles
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
26/06/2009 Page 13/35I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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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I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
Boite froide du Cryolab au bâtiment 163 Puissance de réfrigération 400 W@4.5 K 2 turbines 5 échangeurs thermiques 1 compresseur
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Boite froide TCF50 (Cryolab)
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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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
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« 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
26/06/2009 Page 22/35I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
Analyse de la Supervision
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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%)
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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
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Deuxième étape – Validation du Modèle
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Identification paramétriqueOptimisation de Régulation
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Comparaison Process et Modèle
Analyse de la similarité entre Process et Modèle
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
Troisième Etape – Test de Nouveaux Paramètres de Régulation
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Identification paramétriqueOptimisation 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
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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Boite Froide Linde 18 kW
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I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
Type de boite froide utilisée aux point 6 et 8 du LHC
Puissance de réfrigeration 18 kW@4.5 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)
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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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
Distribution Line Distribution Line
Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS
ColdCompressor
box
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
Distribution Line Distribution Line
Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS
ColdCompressor
box
UpperCold Box
Cold Box
WarmCompressor
Station
LowerCold Box
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
Distribution Line Distribution Line
Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS
ColdCompressor
box
Boite froide
Linde 18 kW
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
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Modèle sous EcosimPro
26/06/2009 Page 31/35I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
Régulation des vitesses des turbines
Origine théorique
Programme Automate existant
Traduction de cette logique
sous EcosimPro
Particularités pour chaque
turbine
I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009
26/06/2009
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
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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
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Conclusion
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Avez-vous des questions
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Merci de votre attention
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