Simulation de modèles de procèdes cryogéniques 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 Bonjour à tous, merci d’être présent pour cette soutenance qui va présenter les différents travaux réalisés lors de mon Projet de Fin d’études sur la Simulation de modèles de procédés cryogéniques. Ce stage s’est déroulé de Janvier à Juin. Durant cette présentation, plusieurs parties seront abordées pour donner une vue d’ensemble de mon stage. Encadrant ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR Julien Encadrants CERN : M. Pezzetti & M. Bradu

Sommaire I – Introduction II – La Cryogénie 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 En guise d’introduction, je souhaitais vous présenter le contexte de mon stage, c’est-à-dire le CERN dans sa généralité, l’accélérateur de particules LHC et la section dans laquelle j’ai travaillé. Etant donné que mon sujet concerne la simulation de procédés cryogéniques, il est intéressant de décrire le principe de certains équipements cryogéniques. Enfin, je mettrais l’accent sur le cœur de mon travail en vous décrivant les différents projets et travaux que j’ai réalisés. 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

INTRODUCTION 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Le CERN Laboratoire sur la Physique des particules depuis 1954 Accélérateurs 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. 8000 personnes venant de 50 pays collaborent à l’exploitation et la mise en service des accélérateurs de particules et des différentes expériences du CERN. -Découvrir le Boson de Higgs (appelé par les journaux la particule de Dieu) permettant d’expliquer l’origine de la masse. -Expliquer la matière noire : 96% de la masse de l’Univers est manquante. -Pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière dans l Univers. -Reconstituer les conditions du Big-bang. -Y a t-il d’autres dimensions cachées dans l’Univers ? 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Observation des collisions 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 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 Observation des collisions 26/06/2009 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 : 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 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… 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

LA CRYOGENIE 26/06/2009 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 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 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 à cette température  Hélium 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Les équipements cryogéniques d’un réfrigérateur Compresseur Echangeurs thermiques Turbines Vannes Joule-Thomson Stockage de l’hélium Un refrigerateur est l’ensemble station de compressio + boite froide Une boite froide est un ensemble de procedes cryogeniques permettant d’obtenir de l’helium liquide a partir d’helium a temperature ambiante (gazeux) Vannes JT : chute de temperature jusqu’au point de saturation. Un réfrigérateur est donc l’ensemble de ces composants connectés les uns aux autres afin d’effectuer un enchainement de transformations thermodynamiques. Il est intéressant de voir des représentations permettant de décrire ce système. 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Représentation Diagramme TS Cycle Thermodynamique 26/06/2009 Comme vous allez le retrouver dans la suite de mon exposé, il existe un diagramme appelé diagramme TS (Temperature-Entropie) permettant de représenter les différents transformations engendrées par les composants cryogéniques vus sur la slide précédente. Après avoir vu le contexte et eu des informations sur la Cryogénie, je vais désormais entrer dans le vif de mon sujet de stage. Diagramme TS Cycle Thermodynamique 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Présentation des Projets - Simulation de Modèles 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Origine et Enjeux de la Simulation au CERN 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 La Simulation de modèles était à la base destinée à un projet scientifique. Mais, rapidement, l’intérêt pragmatique/pratique est ressorti et la simulation est devenue un outil technique efficace. 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Structures réelle et simulée Architecture PROCOS : ² EcosimPro 4.4 26/06/2009 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 26/06/2009 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 + 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 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 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 BOITE FROIDE CRYOLAB 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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 Puissance de réfrigération = puissance qui permet de maintenir la température de l’équipement. (les 400W viennent régénérer de l’hélium gazeux pour compenser les entrées de chaleur) 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Modèle EcosimPro Boite Froide TCF50 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Résultats de Simulation TCF50 Temp Chauffage Regulation TS Régulation des contrôleurs L’évolution des températures Comparaison des diagrammes T-S Niveau et Chauffage dans le séparateur de phase 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

« 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 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Analyse de la Supervision 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

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 : Toolbox Matlab pour l’identification Application Simulink pour test des paramètres Logiciel de Simulation EcosimPro et le modèle Dépassement trop élevé (>20%) 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Identification paramétrique Optimisation de Régulation Première étape – Recueil de Données : Estimer le temps de réaction du système Première étape – Recueil de Données : Enregistrement des données et Importation dans la Toolbox Matlab Première étape – Recueil de Données : Excitation du système avec un signal muni d’un grand nombre de fréquences (SBPA) Simulation de l’évolution du niveau en fonction du SBPA Signal SBPA utilisé Toolbox Matlab Données Importées 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Identification paramétrique Optimisation de Régulation Deuxième étape – Validation du Modèle Analyse de la similarité entre Process et Modèle Comparaison Process et Modèle 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Identification paramétrique Optimisation 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 sous EcosimPro Test Simulink 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Boite Froide Linde 18 kW 26/06/2009 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 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Architecture typique pour le LHC Boite froide Linde 18 kW 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Modèle sous EcosimPro 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Régulation des vitesses des turbines Traduction de cette logique sous EcosimPro Programme Automate existant Origine théorique Particularités pour chaque turbine 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Résultats de Simulation Comparaison Diagramme TS Données Constructeurs et Simulation Niveau et Chauffage dans le séparateur de phase Les températures Les pressions Les débits 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Mise en place d’un laboratoire de simulation Operating Work Station PVSS + Unity PLC Simulator IP Address: 137.138.118.97 Computer Name : CWE-M-LABO5 DataServer PVSS + OFS IP Address : 137.138.118.96 Computer name : CWE-M-LABO4 CPS.exe (CMS, 163 ou 1.8 K) IP Address : 137.138.118.98 Computer Name : CWE-M-LABO6 Station Opérateur Application C++ du modèle Serveur de Données 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009 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 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Merci de votre attention Avez-vous des questions 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

Kp = 2 Ti = 50 Kp = 0.72 Ti = 388 26/06/2009 I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009