Modelling, simulation and control of CERN cryogenic systems
Modélisation, simulation et contrôle des installations cryogéniques du CERN
Résumé
This thesis presents the development of a large-scale cryogenic process simulator applied to LHC (Large Hadron Collider) cryogenic facilities at CERN (European Organisation for Nuclear Research). This simulator is based on an oriented object approach where each equipment (heat exchanger, turbine, compressor, etc.) is represented by a set of differential and algebraic equations. The CERN control architecture is also simulated embedding the control performed by Programmable Logic Controllers (PLC) and the supervision system. This simulator has been designed to serve different objectives as the operator training, the PLC code checking (virtual commissioning) and the control strategies optimisation. The cryogenic system of a particle detector has been first simulated and then a helium liquifier has been modelled to perform a virtual commissioning. LHC 4.5 K helium refrigerators and 1.8 K refrigeration units with the LHC cryogenic distribution line have also been modelled and simulated. A new control law has been designed using an Internal Model Control (IMC) based on an H infiny robust control to enhance the high pressure control in LHC helium refrigerators. Moreover, a floating pressure control has been developed in order to fit the refrigeration power to the requested load. This technique aims to reduce operation costs of LHC cryogenic systems by reducing compressor electrical power.
Cette thèse présente le développement d'un simulateur de processus cryogéniques de grande taille appliqué aux installations cryogéniques de l'accélérateur de particules LHC (Large Hadron Collider) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ce simulateur est basé sur une approche de modélisation orientée objet où chaque équipement (échangeur, turbine, compresseur, etc.) est représenté à partir d'un ensemble d'équations physiques algébro-différentielles. L'architecture de contrôle du CERN est également simulée en intégrant le contrôle réalisé par des automates programmables (PLC) avec le système de supervision. Ce simulateur à été développé pour servir différents desseins comme l'entraînement des opérateurs, la vérification des programmes automates (virtual commissioning) et l'optimisation des stratégies de contrôle. Le système cryogénique d'un détecteur de particules a d'abord été simulé pour valider les modèles, puis un liquéfacteur d'hélium a été modélisé pour réaliser un virtual commissioning. Les réfrigérateurs à hélium à 4,5 K du LHC ainsi que les unités de réfrigération à 1,8 K avec la ligne de distribution cryogénique du LHC ont également été modélisés et simulés. Le développement d'une nouvelle loi de commande basée sur un contrôle à modèle interne (IMC) en utilisant une commande robuste H infinie est présenté pour améliorer la régulation de la haute pression des réfrigérateurs à hélium du LHC. De plus, un système de pressions flottantes a été développé à partir du simulateur de manière à adapter automatiquement la puissance de réfrigération à la charge. Cette technique a pour principal objectif de réduire la puissance électrique des compresseurs.