Supervision des Systèmes Industriels Supervision of Industrial S ystems

1. Supervision des Systèmes IndustrielsSupervision of IndustrialSystems Prof. Belkacem OULD BOUAMAMA Responsable de l’équipe MOCIS Méthodes et Outils pour la conception Intégrée des Systèmes http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/ Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal (LAGIS - UMR CNRS 8219 et Directeur de la recherche à École Polytechnique de Lille (Poltech’ lille) ---------------------------------------------------------- mèl : Belkacem.ouldbouamama@polytech-lille.fr Tel: (33) (0) 3 28 76 73 87 , mobile : (33) (0) 6 67 12 30 20 • Ce cours est dispensé aux élèves de niveau Master 2 et ingénieurs 5ème année. • Plusieurs transparents proviennent de conférences internationales : ils sont alors rédigés en anglais . • Toutes vos remarques pour l’amélioration de ce cours sont les bienvenues.

2. PLAN • Introduction : place de la surveillance dans un système de supervision • Synthèse des méthodes de surveillance • Analyse structurelle et graphe biparti • Redondance d’informations pour la surveillance • Synthèse d’observateurs pour la surveillance • Les bond graphs pour la surveillance • Conception d’un système des supervision. • Application à un processus réel: générateur de vapeur • Conclusions et Bibliographie

3. Bibliography • FDI and FTC : • Blanke, M., Kinnaert, M., Lunze, J. and Staroswiecki, M. (Eds)(2007) Diagnosis and Fault-Tolerant Control, Berlin:Springer-Verlag. • "Automatique et statistiques pour le diagnostic". T1 et 2 sous la direction de Bernard Dubuisson, Collection IC2 Edition Hermes, 204 pages, Paris 2001. • A.K. Samantaray and B. OuldBouamama "Model-based Process Supervision. A Bond Graph Approach" . Springer Verlag, Series: Advances in Industrial Control, 490 p. ISBN: 978-1-84800-158-9, Berlin 2008. • D. Macquin et J. Ragot : "Diagnostic des systèmes linéaires", Collection Pédagogique d'Automatique, 143 p., ISBN 2-7462-0133-X, Hermès Science Publications, Paris, 2000. • Bond Graph FDI based • B. OuldBouamama, M. Staroswiecki and A.K. Samantaray. « Software for Supervision System Design In Process Engineering Industry ». 6th IFAC, SAFEPROCESS, , pp. 691-695.Beijing, China. • B. OuldBouamama, K. Medjaher, A.K. Samantary et M. Staroswiecki. "Supervision of an industrial steam generator. Part I: Bond graph modelling". Control Engineering Practice, CEP, Vol 1 14/1 pp 71-83, Vol 2. 14/1 pp 85-96, 2006. • B. OuldBouamama., M. Staroswiecki et Litwak R. "Automatique et statistiques pour le diagnostic". sous la direction de Bernard Dubuisson, chap.. 6 : "Surveillance d'un générateur de vapeur". pp. 168-199, Collection IC2 Edition Hermes, 204 pages, Paris 2001. • PhD Thesis, several lectures can be doownloadedat : //www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/

4. SUPERVISION DANS L’INDUSTRIE • Supervision ? • Technique industrielle de suivi et de pilotage informatique de procédés de fabrication automatisés. • La supervision concerne l'acquisition de données (mesures, alarmes, retour d'état de fonctionnement) et des paramètres de commande des processus généralement confiés à des automates programmables • Logiciel de supervision: • Interface opérateur présentée sous la forme d'un synoptique.

5. Pourquoi Superviser ? contrôler la disponibilité des services/fonctions contrôler l’utilisation des ressources vérifier qu’elles sont suffisantes (dynamique) détecter et localiser des défauts diagnostic des pannes prévenir les pannes/défauts/débordements (pannes latentes) prévoir les évolutions Suivi des variables

6. Fonctions de la supervision • GESTION • ERP : Enterprise Resource planning : planification des ressources de l'entreprise • intégration des différentes fonctions de l'entreprise dans un système informatique centralisé configuré selon le mode client-serveur. • MRP : Manufacturing Resource Planning : planification des capacités de production • Système de planification qui détermine les besoins en composants à partir des demandes en produits finis et des approvisionnements existants • PRODUCTION • SCADA : Supervisory Control & Data Acquisition • PC & PLC Process Control/ Programmable Logic Controller

7. Supervision et Monitoring • Monitoring • Suivi de paramètres • Sécurité (diagnostic) locale • Réguler • Control des paramètres • Supervision • Centralise le monitoring local et le contrôle • Deux parties d’un scAda • hardware (collecte de données) • Software (contrôle, surveillance, affichage etc..)

8. Logiciels de supervision • Wonderware • Leader dans le domaine de la supervision et du SCADA, notamment au travers du logiciel InTouch, • INTouch • Logiciel de supervision de référence. Bibliothèque extensible contenant de base +500 symboles graphiques  prêts à l’emploi. • PANORAMA : • IHM ergonomique, module de traitement des alarmes et des évènements, un module d'exploitation des historiques. • WinCC • Système de supervision doté de fonctions échelonnables, pour la surveillance de processus automatisés, offre une fonctionnalité SCADA complète sous Windows • DSPACE MATLAB-Simulink

9. Caractéristiques d’un SCADA • Simplicité, convivialité • Solveurs • Traitements graphiques (icônes, bibliothèques, … • Supervision • Commande • Surveillance • Traitement des alarmes • Archivage • Programmation • Performances/Prix : • Prix : matériel + système d ’exploitation, logiciel, mise à jour, assistance, documentation

10. Supervision Graphical User Interface (Inteface Homme Machine IHM) Suivi de variables Contrôle Surveillance

11. 1. INTRODUCTION Objectifs et Definitions

12. INTRODUCTION : Quelques définitions • Processus industriel • Assemblage fonctionnel de composants technologiques associés les uns aux autres de façon à former une entité unique accomplissant une mission. • Architecture du système • Modèle orienté composant qui décrit directement le processus industriel comme un réseau des composants industriels. • P&ID (Piping and Instrumentation Diagrams ) • Plans des Instruments Détaillés, utilisé pour une description visuelle de l'architecture du processus (utilise norme ISO). • Fonctionnement normal • Comportement appartenant à un ensemble de comportements nominaux pour lesquels le système a été conçu.

13. INTRODUCTION : Quelques définitions • Défaillance • Modification suffisante et permanente des caractéristiques physiques d'un composant pour qu'une fonction requise ne puisse plus être assurée dans les conditions fixées. • Défaillances naissantes • Ayant un caractère passager • Constantes • Evoluant dans le temps • Catastrophique • Faute (ou défaut) • Déviation d'une variable observée ou d'un paramètre calculé par rapport à sa valeur fixée dans les caractéristiques attendues du processus lui-même, des capteurs, des actionneurs ou de tout autre équipement.

14. INTRODUCTION : Quelques définitions • Symptômes • Traductions d'un changement d'un comportement d'une variable détectée par comparaison à des valeurs de référence. • Contraintes • Limitations imposées par la nature (lois physiques) ou l'opérateur. • Résidu ou indicateur de faute • exprime l'incohérence entre les informations disponibles et les informations théoriques fournies par un modèle • Erreur • Ecart entre une valeur mesurée ou estimée d'une variable et la vraie valeur spécifiée par un capteur étalon ou jugée correcte. • Spécifications (cahier des charges) • Objectifs que doit atteindre le système de surveillance

15. INTRODUCTION : Historique • Depuis 1840: Apparition de l’automatique • Tâches : améliorer la qualité des produits finis, la sécurité et le rendement des unités en implantant des commandes performantes • Depuis 1980, nouveau challenge : Supervision • Rôles : Fournir à l'opérateur humain une assistance dans ses tâches urgentes de gestion des situations d'alarmes pour l'augmentation de la fiabilité, de la disponibilité et de la sûreté de fonctionnement du processus. • Apparition de l’automatisation intégrée • Commande des systèmes de production et sûreté de fonctionnement, maintenance, gestion technique, diagnostic de fonctionnement

16. INTRODUCTION : Automatisation intégrée Aide à la conduite planification, diagnostic interface homme machine Supervision Niveau 3 Suivi de l’état du processus Visualisation Monitoring Niveau 2 Commande logique, régulation Optimisation Regulation Niveau 1 Choix et implémentation des capteurs et actionneurs Instrumentation Niveau 0 Décisions Observations Sortie Entrée

17. What is a supervision : two levels FDI FTC? • Supervision : • Set of tools and methods used to operate an industrial process in normal situation as well as in the presence of failures. • Activities concerned with the supervision : • Fault Detection and Isolation (FDI) in the diagnosis level, and the Fault Tolerant Control (FTC) through necessary reconfiguration, whenever possible, in the fault accommodation level. SUPERVISION FDI : How to detect and to isolate a faults ? FTC : How to continue to control a process ?

18. Exemple Quelle est l’origine de la défaillance ? Que dois je faire ?

19. REGION DANGEREUSE PERFORMANCES INACCEPTABLES PERFORMANCES DÉGRADÉES Fault PERFORMANCES DÉGRADÉES REGION DANGEREUSE REGION DANGEREUSE Reconfiguration PERFORMANCES INACCEPTABLES Relation entre FDI et FTC Perf=F(Y1,Y2) Y2 PERFORMANCES REQUISES Y1

20. Maintenance FTC Level Fault accommodation Reconfiguration List of faults Technical specification DIAGNOSTIC Control signals Observations Control SENSORS OUTPUT (O) INPUT (I) SUPERVISION in INDUSTRY Set points

21. FDI Purpose • Objectives : given I/O pair (u,y), find the fault f . It will be done in 3 steps : • DETECTION • detect malfunctions in real time, as soon and as surely as possible : decides whether the fault has occured or not • ISOLATION • find their root cause, by isolating the system component(s) whose operation mode is not nominal : find in which component the fault has occured • DIAGNOSIS • diagnose the fault by identifying some fault model : determines the kind and severity of the fault

22. Examen clinique 37 NON - 0  OUI T + Diagnostic Medical interpretation of FDI system

23. FT (Fault Tolerance) • Analysis of fault tolerance : The system is runing under faulty mode • Since the system is faulty, is it still able to achieve its objective(s) ? • Design of fault tolerance : • The goal is to propose a system (hardware architecture and sofware which will allow, if possible, to achieve a given objective not only in normal operation, but also in given fault situations.

24. Control and Fault Tolerant Control • Control algorithms : • implement the solution of control problems : according to the way the system objectives are expressed • FTC algorithms • implements the solution of control problems : controls the faulty system • the system objectives have to beachieved, in spite of the occurence of a pre-specified set of faults

25. Control Problem • Traditional control : two kinds of objectives • control of the system , estimation of its variables • Problematic : Given • a set U of a control law (open open loop, closed loop, continuous or discrete variables, linear or non-linear • a set of control objective(s) O, • set of uncertainconstraints C(), (dynamicmodels) • The solution is completely defined by the triple <O,C(), U >

26. Admissible control laws may change. FTC problem • FTC Controls the faulty system: 2 cases • 1) fault adaptation, fault accomodation, controller reconfiguration • change the control law without changing the system • 2) system reconfiguration • change both the control and the system : • The difference with Control problem System constraints may change.

27. Passive and active fault tolerance Passive fault tolerance Active fault tolerance control law unchanged when faults occur specific solution for normal and faulty mode Normal mode Control law solves < O, Cn(n), Un > Faulty mode Control law also solves < O, Cf(f), Uf >  f  F <O,Cn(n),Un > and < O, Cf(f), Uf >  f  F Knowledge about Cf(f) and Uf must beavailable .  FDI layer must give information. ROBUST TO FAULTS

28. FDI system Fault Fault Fault FDI cannotprovide anyestimate of the fault impact Provide estimation of f(f), Uf of the fault impact Provide estimation of Cf(f) Uf of the fault impact solve < O, f(f), Uf > solve< O, Cf(f), Uf> solve < O, Cr(r), Ur > System reconfiguration Fault accommodation Faultaccommodation and System reconfiguration

29. Controller Fault Accomodation Process Controller parameters Fault accommodation FDI Supervision Ref. u Y

30. Reconfiguration FDI Supervision Process New control configuration Y Nominal Controller Yref u Y’ New Controller u' Y’ref CONTROL Fault Reconfiguration

31. HOW TO DESIGN SUPERVISION SYSTEMS ?

32. À base de modèles Sans modèles Observateurs Redondance d’information Identification Redondance analytique Redondance matérielle DIAGNOSTIC METHODS (2/2) ALGORITMES

33. MODEL OF THE NORMAL OPERATION Process actual operation ALARM GENERATION S E N SO R S 0 Detection Model-based FDI RESIDUAL GENERATOR ALARM INTERPRETAION Identification Isolation

34. y U Residu + - y Observateur Diagnostic par identification et observateurs y U Residu + - y Modèle

35. No model based • Only experimental data are exploited • Methods : statistical learning, data analysis, pattern recognition, neuronal networks, etc. ? ? • Problems • need historical data in normal and in abnormal situations, • every fault mode represented ??? • generalisation capability ?? ?

36. METHODES SANS MODELES • Méthodes de reconnaissances de formes • Détermination d’un certain nombre de classes (apprentissage) • A chaque classe est associé un mode de fonctionnement (normal, défaillant) • Chaque donnée prélevée est affectée à l’une de ces classes : determination du mode de fonctionnement

37. METHODES QUALITATIVES • Utilise la connaissance intuitive du monde : • appliquer des modéles de pensée humaine pour des systèmes physiques • Exemple : « Quand le débit augmente, la température doit diminuer) • L'avantage principal des méthodes qualitatives: • possibilité de n'utiliser que le modèle qualitatif: aucun besoin de grandeurs numériques des paramètres ni de connaissances profondes sur la structure du système. • Inconvénients • Les défaillances des capteurs ne sont pas détectées. Il n'est pas aisé de déterminer les valeurs limites inférieures et supérieures de déviation. D'autre part un problème combinatoire peut apparaître lors des procédures d'inférences pour les systèmes complexes.

38. PROBLEMATIC IN FDI THEORY

39. Détection Fonctionnement normal Modèle + - Alarmes DECISION cahier des charges Localisation Composant défectueux Type de panne Identification DIAGNOSTIC Tâches d’un système de surveillance : FDI

40. Steps in FDI system (1/4) • 1. Détection • Opération logique : On déclare le système est défaillant ou non défaillant • Les critères • Non détection ou détection trop tardive ➽ Conséquences catastrophique sur le process • Fausses alarmes ➽ Arrêts inutiles de l’unité de production. Plus de confiance de l’opérateur • Test d’hypothèses : La détection se ramène à un test d’hypothèses • H0: hypothèse de fonctionnement normal (Domaine de décision D0) • H1 : hypothèse de fonctionnement défaillant (Domaine D1) • Dx : Domaine de non décision

41. Steps in FDI system (2/4) • Problematic • Given R=[r1, ….rn] fault indicators • Two distributions are known p(Z/H0) and p(Z/H1) • One of two hypotheses, H0 or H1 is true • What to do ? • Verify if each ri (i=1,..n) belongs to p(Z/H0) and p(Z/H1) • 4 possibilités

42. Steps in FDI system (3/4) False alarm Pfa ri est déclaré appartenir à H1 (défaillant) alors qu’il appartient à H0 P(ri /H0).P(H0) Pnd P(ri /H1).P(H1) • i : choisi pour assurer un bon compromis : • Probabilité H1 min. • Probabilité de Pnd min. Pfa i < probabilité de fausse alarme limite fixée. D0 Dx - i D1 +i

43. Steps in FDI system (4/4) • 2. Localisation • Etre capable de localiser le ou les éléments défaillants • Les critères • Non isolabilité➽ Conséquences catastrophique sur le process • Fausses isolabilité ➽ Arrêts inutiles de l’unité (ou de l’équipement) défaillant. Plus de confiance de l’opérateur de maintenance • Identification (diagnostic) • Lorsque la faute est localisée, il faut alors identifier les causes précises de cette anomalie. On fait alors appel à des signatures répertoriées par les experts et validées après expertise et réparation des dysfonctionnements.

44. Which parameters must be supervized ? What are the non acceptable values ? Objectives false alarm missed detection detection delay Performances Available data other (cost, complexity, memory, ...) Constraints Specifications Specifications

45. I. Systems and faults

46. x a comp1 e comp4 y comp2 b f comp5 z c comp3 d System (1) • COMPS = {comp1, comp2, comp3, comp4, comp5} A system is a set of interconnected components

47. System (2) A system is a set of interconnected components • COMPS = {input valve, tank, output pipe, levelsensor}

48. x a comp1 e comp4 y comp2 b f comp5 z c comp3 d System (3) x = a  b y =  b z = c  d e = x  y f = z  ( y) SM is the set of all those constraints

49. System (4) SM is the set of all thoseconstraints Input valve Tank Output pipe Level sensor

50. Constraints ? • When non faulty, each component achieves some function of interest • because it exploits some physical principle(s) which are expressed by some relationship(s) between the time evolution of some system variables. Relationships are called constraints, Time evolution of a variable is its trajectory.