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Simulations de modèles de procèdes cryogéniques Tuteur ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR Julien Tuteurs CERN : M. Pezzetti & M. Bradu PROJET DE FIN.

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1 Simulations de modèles de procèdes cryogéniques Tuteur ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR Julien Tuteurs CERN : M. Pezzetti & M. Bradu PROJET DE FIN DETUDE Présentation de mi-stage 23/03/2009 Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire Section TE / CRG /CE

2 Sommaire I – Introduction 1. le CERN et le LHC 2. le rôle de la section TE/CRG/CE II – La Cryogénie 1. Pourquoi la cryogénie ? 2. Procèdes cryogéniques 4. Contrôle et Cryogénie III –Simulation de modeles 1. Enjeux et Contraintes 2. PROCOS 3. Démarche à suivre 2. Boite froide TCF50 3. Boite froide Linde 4. Résultats et Perspectives 23/03/2009 Page 2/26I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

3 INTRODUCTION 23/03/2009 Page 3/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

4 Le CERN et le LHC Physique des particules Accélerateur de particules (LINAC, PS, SPS, LHC) Détecteurs de particules (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) 23/03/2009 Page 4/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Le tunnel du LHC

5 Le rôle de la section TE/CRG/CE Département TE : Technologie Groupe CRG : Cryogénie Section CE : Control and Electricity Rôle : Réalisations des programmes automates des installations cryogéniques du CERN Réalisations des armoires électriques pour les PLC, les I/O… Migrations technologiques des automates Modification et Optimisation des programmes Supervision des installations sous PVSS 23/03/2009 Page 5/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

6 LA CRYOGENIE 23/03/2009 Page 6/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

7 Utilisation de la cryogénie au CERN Définition générale : Lensemble de la science et des applications faisant intervenir les basses températures : inférieures à 120K (-153C). Au CERN : La cryogénie est utilisée dans bien dautres domaines : Médecine, Métallurgie, Aerospatiale, Chimie… 23/03/2009 Page 7/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Courber et Focaliser les particules LHC : 8 Tesla de champ magnétique (énorme) Utilisation delectro-aimants, Ampères nécessaires pour 8 Tesla Utilisation daimants Supraconducteurs Fonctionnement caracteristiques de ces supraconducteurs a C Besoin de la Cryogénie : seul fluide liquide a cette température Hélium

8 Les procédés cryogéniques dune boite froide Station de Compression Echangeurs thermiques Turbines Vannes Joule-Thomson Stockage de lhélium 23/03/2009 Page 8/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

9 Contrôle et Cryogénie Automates Schneider (Premium ou Quantum) et Siemens Respect du standard UNICOS Unicos respecte la norme IEC Les objets UNICOS : Objets I/O : AI/AO/DI/DO Objets Field : /ANALOG/ANADIG Objets Control : /CONTROLLER/ALARM/PROCESS CONTROL OBJECT (PCO) Générateurs : Database, générateur dinstances, générateur de logique 23/03/2009 Page 9/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

10 Standard UNICOS 23/03/2009 Page 10/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Structure UNICOS :

11 Présentation du Projet : - Simulation de Modèles 23/03/2009 Page 11/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

12 Enjeux et Contraintes de la Simulation 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 Les Contraintes : Programme PLC Temps de calcul de la simulation raisonnable Respect du temps déchanges de données et de synchronisation entre les différents systèmes de contrôle (Process, PLC, SCADA) 23/03/2009 Page 12/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

13 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 dune communication OPC entre tous ces outils 23/03/2009 Page 13/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 PROCOS (PROcess and COntrol Simulation) EcosimPro 4.4

14 PROCOS 23/03/2009 Page 14/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Structure PROCOS :

15 Les étapes de la démarche Faire une Simulation : 1. Analyse et Calculs Thermodynamique + Mecanique des fluides Etude du point de fonctionnement théorique Dimensionnement des vannes Bilan thermique des échangeurs thermiques 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 La Démarche Simulation 23/03/2009 Page 15/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

16 23/03/2009 Page 16/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Problèmes rencontrés

17 Boite froide TCF50 (Cryolab) Boite froide du Cryolab au batiment 163 Puissance de réfrigeration 400 K 2 turbines 5 échangeurs thermiques Station de compression avec 1 compresseur Quelques détails sur la procédure de Simulation : Démarrage avec une pression initiale de 3 bar dans la boite froide Station de compression et boite froide connectée au demarrage Déclenchement de certaines régulation selon certaines conditions : Logic 23/03/2009 Page 17/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

18 23/03/2009 Page 18/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Boite froide TCF50 PHOTOS A PRENDRE DEMAIN MATIN

19 23/03/2009 Page 19/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Modèle de la Boite froide TCF50

20 Résultats de Simulation TCF50 23/03/2009 Page 20/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion Modèle terminé de la boite froide TCF50 : Lévolution des températures : Température, Niveau dans le séparateur de phase : Régulation des contrôlleurs : Comparaison des diagrammes T-S :

21 Boite froide Linde (LHC) Type de boite froide utilisée aux point 6 et 8 du LHC Puissance de réfrigeration 18 K 10 turbines 10 échangeurs thermiques Station de compression avec 5 compresseurs (High Stage et Low Stage) 23/03/2009 Page 21/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009

22 23/03/2009 Page 22/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Architecture typique pour le LHC Boite froide Linde 18 kW

23 23/03/2009 Page 23/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Boite froide 18kW

24 23/03/2009 Page 24/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Panel de la Supervision de la boite froide 18 kW

25 2. Préparation pour le Virtual Commissioning en cours 3. Développement du modèle de la boite froide 18kW en cours : Tests du dimensionnement des paramètres Turbines terminés Station de compression realisée par B. Bradu Premiers résultats de létude du bilan thermique à tester Dimensionnement des vannes à continuer 23/03/2009 Page 25/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Perspectives

26 Avez-vous des questions ? 23/03/2009 Page 26/26 I5 GSP Projet de fin détudes Promotion 2009 Merci de votre attention


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