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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS PARIS _______________ MÉMOIRE Présen

CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS PARIS _______________ MÉMOIRE Présenté en vue d'obtenir le DIPLÔME D'INGÉNIEUR C.N.A.M. en AUTOMATISME INDUSTRIEL par Denis BOUZIAT _______________ Contrôle commande d'une station d'essais pour bobines supraconductrices : application du réseau de terrain WorldFIP. Soutenu le 27 juin 2001 _______________ JURY PRESIDENT : J.L. THOMAS (CNAM) MEMBRES : A. FAYAZ (CNAM) B. HERVIEU (CEA) D. JAUME (CNAM) J.C. LANGUILLAT (CEA) C.WALTER (CEA) 2 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS PARIS _______________ MÉMOIRE Présenté en vue d'obtenir le DIPLÔME D'INGÉNIEUR C.N.A.M. en AUTOMATISME INDUSTRIEL par Denis BOUZIAT _______________ Contrôle commande d'une station d'essais pour bobines supraconductrices : application du réseau de terrain WorldFIP. _______________ Les travaux relatifs au présent mémoire ont été effectués au Commissariat à l'Énergie Atomique au sein du Service d'Instrumentation Générale, sous la direction de Monsieur C. Walter et suivi au CNAM par Monsieur J.L. Thomas. 3 Remerciements Ces travaux ont été réalisés au Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) à Saclay, dans le Service d'Instrumentation Générale (SIG) au sein du Département d'Astrophysique, de physique des Particules, de physique Nucléaire et de l'Instrumentation Associée (DAPNIA). Je remercie sincèrement Monsieur J.C. Languillat, Chef de service du SIG, pour m'avoir accordé le temps nécessaire à la réalisation de ce mémoire. Je tiens à remercier Monsieur J.L. Thomas, mon tuteur au CNAM, qui a supervisé mon travail, ainsi que Messieurs A. Fayaz et D. Jaume pour avoir accepté d'être membres du jury. Je tiens à exprimer mes plus sincères remerciements à Monsieur Ch. Walter, mon responsable au CEA qui, avec une grande compétence, m'a dirigé tout au long de ce travail. Les nombreux conseils et suggestions qu'il m'a apportés m'ont permis de mener à bien ce travail dans des conditions techniques et humaines encourageantes. Je tiens également à exprimer toute ma reconnaissance à Monsieur B. Hervieu, pour le soutien et les conseils qu'il m'a prodigués tout au long de ce travail, ainsi que sa présence et l'aide qu'il m'a apportée dans la rédaction de ce mémoire. Je remercie tous les membres du projet W7X de Saclay, ainsi que mes collègues du groupe automatisme, que j'ai côtoyé pendant ces années et avec lesquels nous avons collaboré fructueusement. Enfin, je dédie ce mémoire à mon épouse qui a montré une grande patience tout au long de mon parcours au CNAM et m'a fourni un soutien précieux dans la vie quotidienne. 4 Sommaire INTRODUCTION ............................................................................................................... 1 1. CONTEXTE......................................................................................................................... 5 1.1. CEA / DSM / DAPNIA / SIG ........................................................................................ 5 1.1.1. Le CEA ................................................................................................................... 5 1.1.2. La DSM .................................................................................................................. 6 1.1.3. Le DAPNIA............................................................................................................. 6 1.1.4. Le SIG..................................................................................................................... 7 1.1.5. Le groupe automatisme.......................................................................................... 8 1.2. PRESENTATION DU PROJET W7X ET DE LA STATION D'ESSAI DE SACLAY ........................ 9 1.2.1. Aspect scientifique.................................................................................................. 9 1.2.1.1. Description du projet W7X .............................................................................. 9 1.2.1.2. Bobine Non-Plane .......................................................................................... 11 1.2.1.3. Bobine Plane .................................................................................................. 11 1.2.1.4. Constitution d'une bobine............................................................................... 11 1.2.2. La station d'essai W7X à Saclay .......................................................................... 12 1.2.2.1. Objectif........................................................................................................... 12 1.2.2.2. Acquisition de données .................................................................................. 13 1.2.2.3. Test des 70 bobines ........................................................................................ 17 1.3. ORGANISATION DU PROJET............................................................................................ 20 1.3.1. Organigramme service......................................................................................... 20 1.3.1.1. Organisation fonctionnelle de l'équipe projet pour les tests de qualification à Saclay ........................................................................................................................ 20 1.3.1.2. Organisation structurelle au sein du SIG........................................................ 21 1.3.2. Responsabilités du chargé d'affaire..................................................................... 21 1.3.3. Responsable d'automatisme ................................................................................. 22 2. PROCESSUS CRYOGENIQUE ET MESURES ........................................................... 25 2.1. INTRODUCTION.............................................................................................................. 25 2.2. DESCRIPTION DU PROCESSUS CRYOGENIQUE................................................................. 25 2.2.1. Objectif................................................................................................................. 25 2.2.2. Les phases du processus....................................................................................... 25 5 2.3. CARACTERISTIQUES DES CHAINES DE MESURES............................................................. 27 2.3.1. Présentation de la chaîne de mesure.................................................................... 27 2.3.2. Résumé du type et du nombre de mesures............................................................ 28 2.3.3. Représentation graphique simplifiée des différents types de voie de mesure ...... 29 2.4. SPECIFICATIONS D'EXPLOITATION ................................................................................. 35 3. CONTROLE COMMANDE ............................................................................................ 42 3.1. INTRODUCTION.............................................................................................................. 42 3.2. CONTEXTE..................................................................................................................... 43 3.3. ARCHITECTURE PROPOSEE SUR W7X ............................................................................ 49 3.4. JUSTIFICATIFS................................................................................................................ 49 3.4.1. Description des sous-ensembles........................................................................... 49 3.4.1.1. CABTF (Centrale d'Acquisition Basse Température Fipée).......................... 51 3.4.1.2. FESTO (Terminal de distributeurs pneumatique).......................................... 58 3.4.1.3. Châssis CE80-35 d'entrées/sorties déportées ................................................. 62 3.4.1.4. Niveau d'Hélium............................................................................................. 64 3.4.2. Communication et échange de données. (passerelles)......................................... 67 3.4.2.1. Coupleur déporté FIP/MODBUS................................................................... 67 3.4.2.2. Passerelle FIP/HART..................................................................................... 73 3.5. SUPERVISION (UTILISATION DE LA TECHNOLOGIE INTERNET)........................................ 82 4. RESULTATS ..................................................................................................................... 87 4.1. INTRODUCTION.............................................................................................................. 87 4.2. PROCESSUS CRYOGENIQUE............................................................................................ 88 4.3. RESEAU WORLDFIP ...................................................................................................... 90 4.4. COUPLEUR DEPORTE FIP/MODBUS............................................................................. 93 4.5. PASSERELLE FIP/HART ............................................................................................... 94 4.6. CABTF......................................................................................................................... 96 4.7. SUPERVISION................................................................................................................. 96 CONCLUSION.................................................................................................................. 98 BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................... 100 ANNEXES........................................................................................................................ 102 6 LISTE DES ANNEXES ANNEXE 1 : Choix du système de contrôle commande ..................................................... 103 ANNEXE 2 : Compétences du groupes automatismes ........................................................ 106 ANNEXE 3 : Schémas cryogéniques................................................................................... 107 ANNEXE 4 : Nomenclature................................................................................................. 110 ANNEXE 5 : Implantation ................................................................................................... 112 ANNEXE 6 : Voies de mesures ........................................................................................... 120 ANNEXE 7 : Représentation graphique simplifiée des différents types de voie de mesure.125 ANNEXE 8 : BORA (BOrnier de Raccordement Analogique)........................................... 127 ANNEXE 9 : Grafcets du processus général du cryostat 1.................................................. 138 ANNEXE 10 : Spécification du coupleur déporté FIP/MODBUS ........................................ 139 ANNEXE 11 : Le protocole MODBUS ................................................................................. 146 ANNEXE 12 : Grafcet et Programme de la gestion MODBUS............................................. 150 ANNEXE 13 : Sous programme de calcul de FIT des sondes de température Cernox ......... 164 ANNEXE 14 : Instrumentation .............................................................................................. 165 7 LISTE DES FIGURES Figure 1-1 : Le Stéllarator....................................................................................................... 10 Figure 1-2 : Bobine Non-Plane............................................................................................... 11 Figure 1-3 : Bobine Plane ....................................................................................................... 11 Figure 1-4 : Conducteur.......................................................................................................... 11 Figure 1-5 : Boîte à bobine ..................................................................................................... 12 Figure 1-6 : Sections de conducteurs (même capacité de transport)...................................... 12 Figure 1-7 : Schéma de l'ensemble des cryostats.................................................................... 13 Figure 1-8 : Schéma de principe des systèmes ....................................................................... 14 Figure 1-9 : Schéma de principe du système d'acquisition..................................................... 15 Figure 1-10 : Schéma de principe des futurs systèmes............................................................. 16 Figure 1-11 : Courbe de monté du courant............................................................................... 19 Figure 2-1 : Schéma de la voie de mesure de la température ................................................. 29 Figure 2-2 : Courbe d'étalonnage de sondes Cernox .............................................................. 30 Figure 2-3 : Mise à l'échelle du module d'entrée de courant analogique................................ 31 Figure 2-4 : Mise à l'échelle sondes Cernox par R = f(I)........................................................ 32 Figure 2-5 : Courbe sondes Cernox 1/T = f(ln(R))................................................................. 32 Figure 2-6 : Courbe d'une sonde Platine................................................................................. 34 Figure 2-7 : Mise à l'échelle d'une sonde Platine par R = f(I) ................................................ 34 Figure 2-8 : Schéma de l'échange avec les postes de supervisions......................................... 37 Figure 3-1 : Principe de diffusion des informations du réseau WorldFIP .............................. 47 Figure 3-2 : Architecture réseau WorldFIP ............................................................................ 49 Figure 3-3 : Photo de la CABTF............................................................................................. 51 Figure 3-4 : Comparaison des solutions de la CABTF........................................................... 52 Figure 3-5 : Courbe température sonde cernox....................................................................... 54 Figure 3-6 : Schéma de l'échange des données transmises de la CABTF.............................. 55 Figure 3-7 : Schéma du synchronisme de la CABTF ............................................................. 57 Figure 3-8 : Chronogramme du synchronisme de la CABTF................................................. 57 Figure 3-9 : Photo du FESTO................................................................................................. 58 Figure 3-10 : Comparaison des solutions du FESTO ............................................................... 59 Figure 3-11 : Schéma de l'échange des données transmises du FESTO................................... 60 Figure 3-12 : Schéma de principe du concentrateur d'E/S CE80-35 ........................................ 62 Figure 3-13 : Mode de marche du concentrateur d'E/S CE80-35............................................. 63 Figure 3-14 : Tiroir de mesure d'hélium prototype 4 voies ...................................................... 64 Figure 3-15 : Ordonnancement des échanges MODBUS......................................................... 67 Figure 3-16 : Durée d'un échange type demande réponse en binaire ....................................... 68 Figure 3-17 : Photo du coupleur déporté FIP/MODBUS ......................................................... 69 Figure 3-18 : Architecture du coupleur déporté FIP/MODBUS............................................... 70 Figure 3-19 : Lectures des données par le coupleur FIP/MODBUS ........................................ 71 Figure 3-20 : Ecritures des données par le coupleur FIP/MODBUS........................................ 72 Figure 3-21 : Photo de la passerelle FIP/HART....................................................................... 73 Figure 3-22 : Schéma fonctionnel FIP/HART.......................................................................... 74 Figure 3-23 : Hart utilise FSK pour le codage numérique de l'information par-dessus le signal 4-20mA................................................................................................. 75 Figure 3-24 : Superposition du signal numérique sur le signal analogique.............................. 76 Figure 3-25 : Architecture générale du mécanisme affectation du n°IP................................... 78 Figure 3-26 : Application AMS - vue de la connexion des capteurs........................................ 79 Figure 3-27 : Panneau de configuration des propriétés d'un capteur de AMS ......................... 80 Figure 3-28 : Panneau de configuration des propriétés d'un capteur de AMS ......................... 81 8 Figure 3-29 : Vues du poste de supervision.............................................................................. 82 Figure 3-30 : Principe de fonctionnement du poste de supervision.......................................... 84 Figure 3-31 : Serveur Web embarqué....................................................................................... 85 Figure 4-1 : Descente en vide du cryostat 1........................................................................... 88 Figure 4-2 : Photo des baies................................................................................................... 89 Figure 4-3 : Photo du hall avec les cryostats.......................................................................... 89 Figure 4-4 : Les cycles de début et de fin d'une trame........................................................... 90 Figure 4-5 : Format de la trame WorldFIP............................................................................. 90 Figure 4-6 : Une série de trame FIP ....................................................................................... 91 Figure 4-7 : Chronogramme du réseau FIP............................................................................ 92 Figure 4-8 : Vue à l'oscilloscope d'une requête MODBUS ................................................... 93 LISTE DES TABLEAUX Tableau 2-1 : Mesures du satellite .......................................................................................... 28 Tableau 2-2 : Mesures des deux boîtes à vannes .................................................................... 28 Tableau 2-3 : Mesures des deux cryostats .............................................................................. 29 Tableau 2-4 : Volume des variables logiques......................................................................... 36 Tableau 2-5 uploads/Ingenierie_Lourd/ memoire-di-80-protocol-hart.pdf