Simulation de mod les de proc des cryog niques
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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

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Simulation de modèles de procèdes cryogéniques

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Simulation de mod les de proc des cryog niques

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


Sommaire

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


Introduction

INTRODUCTION

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


Le cern

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


Le lhc

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


Le r le de la section te crg ce

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


La cryogenie

LA CRYOGENIE

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


Utilisation de la cryog nie au cern

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

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Les quipements cryog niques d un r frig rateur

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


Repr sentation

Représentation

Diagramme TS

Cycle Thermodynamique

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


Pr sentation des projets simulation de mod les

Présentation des Projets-Simulation de Modèles

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


Origine et enjeux de la simulation au cern

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


Structures r elle et simul e

Structures réelle et simulée

Architecture PROCOS :

²

EcosimPro 4.4

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Procos process and control simulation

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

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La d marche simulation

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


    Difficult s rencontr es

    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


    Boite froide cryolab

    BOITE FROIDE CRYOLAB

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    Boite froide tcf50 cryolab

    Boite froide TCF50 (Cryolab)

    • 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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    Mod le ecosimpro boite froide tcf50

    Modèle EcosimPro Boite Froide TCF50

    I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


    R sultats de simulation tcf50

    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


    Virtual commissioning

    « 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

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    Analyse de la supervision

    Analyse de la Supervision

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    Identification param trique optimisation de r gulation

    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


    Identification param trique optimisation de r gulation1

    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

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    Identification param trique optimisation de r gulation2

    Identification paramétriqueOptimisation de Régulation

    • Deuxième étape – Validation du Modèle

    Analyse de la similarité

    entre Process et Modèle

    Comparaison Process et Modèle

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    Identification param trique optimisation de r gulation3

    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

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    Boite froide linde 18 kw

    Boite Froide Linde 18 kW

    I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


    Boite froide linde lhc

    Boite froide Linde (LHC)

    • 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”)

    I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


    Architecture typique pour le lhc

    Architecture typique pour le LHC

    Boitefroide

    Linde 18 kW

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    Mod le sous ecosimpro

    Modèle sous EcosimPro

    I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009


    R gulation des vitesses des turbines

    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


    R sultats de simulation

    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


    Mise en place d un laboratoire de simulation

    Mise en place d’un laboratoire de simulation

    Station Opérateur

    Serveur de Données

    Application C++ du modèle

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    Conclusion

    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

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    Merci de votre attention

    Merci de votre attention

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