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

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 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 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 INTRODUCTION 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Le CERN et le LHC Physique des particules Accélerateur de particules (LINAC, PS, SPS, LHC) Détecteurs de particules (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) Le CERN est le plus grand laboratoire international sur la physique des particules. Au sein du CERN, il a ete construit la plus importante machine du monde : l’accelerateur de particule LHC (9300 supraconducteurs repartis a 100m de profondeur dans un tunnel de 27km de circonference). Le LHC permettra peut-etre de mieux comprendre les premiers instants de l’Univers. Transition : De nombreux domaines techniques et d’ingenierie viennent apporter une realite aux experiences des physiciens : parmi eux, le controle/automatisation des installations cryogeniques. Le tunnel du LHC 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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 Donc la section s’occupe du controle des installations cryogeniques mais qu’est ce que la cryogenie ? Je vais en dire quelques mots tout de suite… 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 LA CRYOGENIE 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Utilisation de la cryogénie au CERN Définition générale : L’ensemble de la science et des applications faisant intervenir les basses températures : inférieures à 120K (-153C). Au CERN : La cryogénie est utilisée dans bien d’autres domaines : Médecine, Métallurgie, Aerospatiale, Chimie… Courber et Focaliser les particules LHC : 8 Tesla de champ magnétique (énorme) Utilisation d’electro-aimants, 13000 Ampères nécessaires pour 8 Tesla Utilisation d’aimants Supraconducteurs Fonctionnement caracteristiques de ces supraconducteurs a -271.3C Les experiences du CERN permettent d’aboutir a de nouvelles avancees technologiques pouvant s’appliquer dans des domaines diverses comme la medecine. Voyons maintenant quelques procedes cryogeniques, notamment ceux constituant les refrigerateurs, installations faisant l’objet des simulations de ce stage… Besoin de la Cryogénie : seul fluide liquide a cette température  Hélium 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Les procédés cryogéniques d’une boite froide Station de Compression Echangeurs thermiques Turbines Vannes Joule-Thomson Stockage de l’hélium Une boite froide est un ensemble de procedes cryogeniques permettant d’obtenir de l’helium liquide a partir d’helium a temperature ambiante (gazeux) 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Contrôle et Cryogénie Automates Schneider (Premium ou Quantum) et Siemens Respect du standard UNICOS Unicos respecte la norme IEC 61512-1 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 d’instances, générateur de logique Les generateurs de logiques permettent de gagner un temps de programmation important Generateur d’instance : definition des differentes broches de connexion de tous les objets a l’aide d’une base de donnees Access Generateur de logique : generation des sections de codes et repertorie les PCO et leurs objets dependants 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Standard UNICOS Structure UNICOS : 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Présentation du Projet : - Simulation de Modèles 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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 d’échanges de données et de synchronisation entre les différents systèmes de contrôle (Process, PLC, SCADA) Enlever ce diapo en tout cas les contraintes a voir 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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 est un logiciel de simulation permettant la modelisation de process physiques a partir des equations algebro-differentielles. La modelisation d’un composant physique se fait a partir d’un langage propre a EcosimPro (langage EL) ; langage permettant de modeliser des process continus et discrets. UNICOS EcosimPro 4.4 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 PROCOS Structure PROCOS : Modif schema 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

La Démarche Simulation 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 Simulation Numerique : Ecrire procedure de simulation (Informatique), Penser aux calculs numeriques : division par zero, taux de convergence vers une solution Solver DASSl  syst non lineaire (Jacobienne) + Newton Raphson 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Problèmes rencontrés 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Boite froide TCF50 (Cryolab) Boite froide du Cryolab au batiment 163 Puissance de réfrigeration 400 W@4.5 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 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Boite froide TCF50 PHOTOS A PRENDRE DEMAIN MATIN Faire grand schematic 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Modèle de la Boite froide TCF50 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Résultats de Simulation TCF50 1. Modèle terminé de la boite froide TCF50 : L’évolution des températures : Température, Niveau dans le séparateur de phase : Régulation des contrôlleurs : Comparaison des diagrammes T-S : 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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”) Remplacer schema 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Architecture typique pour le LHC Boite froide Linde 18 kW 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Boite froide 18kW 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Panel de la Supervision de la boite froide 18 kW 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 Perspectives 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 l’étude du bilan thermique à tester Dimensionnement des vannes à continuer 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Merci de votre attention Avez-vous des questions ? 23/03/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009