Simulation de modèles de procèdes cryogéniques

1. PROJET DE FIN D’ETUDES Soutenance du 26/06/2009 Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire Section TE / CRG /Control & Electricity Simulation de modèles de procèdes cryogéniques Encadrant ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR Julien EncadrantsCERN : M. Pezzetti & M. Bradu

2. Sommaire • 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 - Conclusion I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

3. INTRODUCTION I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

4. Le CERN • Laboratoire sur la Physique des particules depuis 1954 • Accélérateurs de particules (LINAC, PS, SPS, LHC) • Détecteurs de particules (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

5. 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

6. Le rôle de la section TE/CRG/CE • 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 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

7. LA CRYOGENIE I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

8. Utilisation de la cryogénie au CERN • 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… Utilisation d’électroaimants, 13000 Ampères nécessaires pour 8 Tesla Courber et Focaliser les particules du faisceau 8 Tesla de champ magnétique (énorme) 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

9. Les équipements cryogéniques d’un réfrigérateur • Compresseur • Echangeursthermiques • Turbines • Vannes Joule-Thomson • Stockage de l’hélium I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

10. Représentation Diagramme TS Cycle Thermodynamique I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

11. Présentation des Projets-Simulation de Modèles I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

12. Origine et Enjeux de la Simulation au CERN • 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 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

13. Structures réelle et simulée Architecture PROCOS : ² EcosimPro 4.4 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

14. UNICOS PROCOS (PROcess and COntrol Simulation) • 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 EcosimPro 4.4 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

15. La Démarche Simulation 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  Automatique I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

16. Difficultés rencontrées • 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 EcosimPro I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

17. BOITE FROIDE CRYOLAB I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

18. Boite froide TCF50 (Cryolab) • Boite froide du Cryolab au bâtiment 163 • Puissance de réfrigération 400 W@4.5 K • 2 turbines • 5 échangeurs thermiques • 1 compresseur I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

19. Modèle EcosimPro Boite Froide TCF50 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

20. Résultats de Simulation TCF50 Régulation des contrôleurs L’évolution des températures Comparaison des diagrammes T-S Niveau et Chauffage dans le séparateur de phase I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

21. « Virtual Commissioning » Simulateur API Logiciel : Unity Adresse IP : 137.138.15.85 Supervision PVSS Server OPC Adresse IP : 137.138.15.86 Modèle Boite Froide Application C++ : « CPS.exe » Adresse IP : 137.138.15.85 EcosimPro 4.4 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

22. Analyse de la Supervision I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

23. Identification paramétrique Optimisation de Régulation • 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 : • ToolboxMatlab pour l’identification • Application Simulink pour test des paramètres • Logiciel de Simulation EcosimPro et le modèle Dépassement trop élevé (>20%) I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

24. Identification paramétriqueOptimisation de Régulation • Première étape – Recueil de Données : • Enregistrement des données et Importation dans la ToolboxMatlab • Première étape – Recueil de Données : • Excitation du système avec un signal muni d’un grand nombre de fréquences (SBPA) • Première étape – Recueil de Données : • Estimer le temps de réaction du système Simulation de l’évolution du niveau en fonction du SBPA Signal SBPA utilisé ToolboxMatlab Données Importées I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

25. Identification paramétriqueOptimisation de Régulation • Deuxième étape – Validation du Modèle Analyse de la similarité entre Process et Modèle Comparaison Process et Modèle I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

26. Identification paramétriqueOptimisation de Régulation • Troisième Etape – Test de Nouveaux Paramètres de Régulation Modèle issu de l’identification Observation du Niveau Consigne Test de Paramètres PI Utilisation du modèle sous Simulink pour test nouveaux paramètres de régulation Test Simulink Test sous EcosimPro I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

27. Boite Froide Linde 18 kW I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

28. Boite froide Linde (LHC) • 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”) I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

29. Architecture typique pour le LHC Boitefroide Linde 18 kW I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

30. Modèle sous EcosimPro I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

31. Régulation des vitesses des turbines Traduction de cette logique sous EcosimPro Programme Automate existant Origine théorique Particularités pour chaque turbine I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

32. Résultats de Simulation Les pressions Les températures Comparaison Diagramme TS Données Constructeurs et Simulation Niveau et Chauffage dans le séparateur de phase Les débits I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

33. Mise en place d’un laboratoire de simulation Station Opérateur Serveur de Données Application C++ du modèle I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

34. Conclusion • 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 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

35. Merci de votre attention Avez-vous des questions I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009