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Conception d'un simulateur de conduite de four de cimenterie

problématique

Les centres de production industriels sont des ensembles complexes et le pari de leur rentabilité est gagné dès lors qu'ils sont exploités de manière continue, régulière et optimale. Au dela d'un fonctionnement théorique tel que le régime établi visé lors de la phase de conception de l'usine, la réalité est plus subtile et impose aux conducteurs de telles usines des situations délicates dont l'issue dépend grandement de la capacité à diagnostiquer et à réagir correctement.

La formation à la conduite de telles installations est donc un aspect nécessaire de la gestion globale d'une usine mais il n'est pas possible d'utiliser cette dernière comme outil d'expérimentation et de formation en temps réel. En effet, une installation qui coûte plusieurs dizaines voire centaines de millions d'euros ne peut pas être utilisée pour montrer à des apprenants les conséquences d'une panne destructrice et nécessitant un arrêt de production.

La simulation à base d'outils réalistes est donc le meilleur moyen d'entraînement et c'est pour cette raison qu'un grand cimentier nous a demandé de concevoir, en collaboration collaboration avec ses équipes techniques et pédagogiques un simulateur de conduite de four.

solutions mises en place

une démarche pragmatique et personnalisée

Après l'étude de plusieurs solutions, cet acteur industriel majeur a été séduit par notre démarche. Nous proposions en effet la conception d'un simulateur en prenant comme modèle une usine particulièrement représentative des process cimentiers. Contrairement à un logiciel commercialisé par un équipementier et représentant un type d'usine générique, notre simulateur allait correspondre à un référentiel du groupe et éviter ainsi un effort d'abstraction de la part des apprenants pendant la formation.

Un groupe de travail a été mis en place :

Yelloware	1 concepteur logiciel / développeur 1 ingénieur développeur
Notre client	1 responsable du centre de formation 1 conducteur de four

Il a été prévu dès le début de ce projet de se concentrer sur un périmètre fonctionnel bien défini de la cimenterie, à savoir, la modélisation du procédé depuis l'entrée de la tour du préchauffeur jusqu'à la sortie refroidisseur, c'est à dire poser les bases principales d'un logiciel évolutif programmé en POO (Programmation Orientée Objet). Cela laisse ensuite la possibilité d'y ajouter des fonctionnalités secondaires.

Yelloware a recueilli auprès du client la description complète des organes et des tranformations internes s'opérant au sein du four. Nous avons modélisé chacun des composants structurels "actifs" dans le procédé de transformation du cru en clinker puis développés 3 grands modèles qui régissent respectivement le comportement aéraulique (calculs des débits gazeux et des pressions), le comportement thermique (calorimétrie, combustion, pertes) et enfin le comportement chimique (transformation de la matière, produits de la combustion...).

Toutes les tendances comportementales du simulateur ont été validées par le centre de formation, conformément aux relevés effectués dans l'usine modèle.

Dans un dernier temps, nous avons programmé une scénarisation distincte pour 7 pannes récurrentes de la cimenterie.

un simulateur réaliste et paramétrable

Chaque partie et procédé modélisé l'a été en prenant en compte la possibilité de créer par la suite une infinité de structures et modèles. Pour ce faire, nous avons introduit pas moins de 200 paramètres "physiques" de réglage (dimensionnement, composition des matières premières, capacités thermiques des milieux...).

Un réglage canonique a été effectué pour "coller" à l'usine modèle.

Le simulateur a été testé par un groupe de huit stagiaires et un formateur pendant une semaine en octobre 2008. Il a été jugé "très réaliste", "immersif" et "facile" à prendre en main.

des outils périphériques complémentaires et indispensables

En complément de la simulation pure, nous avons suggéré l'unité pédagogique le développement d'outils complémentaires exploitant pleinement le potentiel des architecture informatique d'aujourd'hui. Il est apparu évident de réaliser ces développements qui permettent une analyse approfondie des simulations de conduite à chaud (en temps réel) et à froid (données archivées).

Par ailleurs, le contexte de la formation en groupe nous a semblé opportun pour relier les applications entre elles.

Nous avons donc développé un logiciel d'enregistrement des données de la simulation qui est capable de se connecter, non seulement, à un simulateur installé sur le même poste que l'enregistreur mais également à n'importe quel autre simulateur présent sur le réseau local, la détection étant totalement automatisée. Il est bien sûr possible d'étendre le réseau local au réseau Internet et d'enregistrer des données en provenance d'un simulateur distant.

En association avec l'enregistreur, nous avons développé un logiciel de monitoring. De la même façon, ce moniteur est capable de tracé des courbes de données produit à partir du PC hôte de la simulation, mais également à partir de données émises par un ou plusieurs simulateurs fonctionnant sur le réseau local.

En synthèse, l'association des deux logiciels permet de superposer des courbes de un ou plusieurs simulateurs en temps réel et de les comparer à des courbes archivées dans le même temps. Ainsi, lors de séances de simulation en groupe, le formateur peut comparer très finement par simple visualisation de son moniteur les convergences et les divergences des méthodes de conduite, ceci à distance.

N'oublions pas de citer cet autre outil à destination exclusive du formateur qu'est le contrôleur. Il permet de déclencher à distance des pannes sur un ou plusieurs simulateurs simultanément. La manipulation est transparente pour l'apprenant et les différentes réactions de ces derniers face à l'apparition des symptômes permet de mesurer précisement les points perfectibles à prendre en compte dans la formation.

fonctionnalités détaillées du simulateur de conduite en voie sèche

contrôle du temps

• mise en pause de la simulation
• simulation en temps réel
• accélération jusqu'à 50 fois la vitesse réelle

gestion des sessions utilisateurs

• accès au logiciel par session personnalisée
• création et chargement d'états de simulation personnalisés et rattachés à l'utilisateur (photo de la simulation à un instant t)
• journalisation des actions de l'utilisateur et des événements de la simulation

exploitation en temps réél de trois moteurs de calcul

• modèle aéraulique (courbes caratéristiques, débit max et deltaP max des ventilateurs, calcul des pertes de charge et des pressions dans le circuit, équilibrage du circuit en fonction du bilan perte de charge/points de fonctionnement)
• modèle thermique (calculs de rendement et des produits de la combustion en fonction de la composition et du PCI des combustibles, caractérisation de 4 milieux : structure, gaz, matière, environnement extérieur, réglage des capacité calorifiques statiques et dynamique, réglage de la vitesse de propagation de la chaleur)
• transformation de la matière (modélisation des 4 réactions principale : , dessication, décarbonatation, phase liquide et clinkerisation, réglage des enthalpies et des vitesses des réactions chimiques, calcul des produits de transformation, prise en compte du facteur de saturation en chaux, calcul de chaux libre dans le clinker, calcul des concentrations gazeuses : CO, CO2, O2)

asservissements

• régulation du ventilateur exhaure refroidisseur par rapport à la pression au capot de chauffe
• régulation de la vitesse de la grille 1 par rapport à la pression sous-grille 1
• régulation de la vitesse de la grille 2 par rapport à la vitesse de la grille 1
• arrêt du brûleur si température cyclone
  1 > 450°C ou cyclone 2 > 650°C
• alimentation farine conditionnée à la rotation du four
• coupure du combustible si température zone inférieure à la température d’auto-combustion

pilotage automatique

• lancement de procédures de pilotage automatiques (initialisation du four, préchauffage, mise en farine, arrêt du four...)
• édition facile des scénarios (scripts XML)

alarmes de conduite

• alarmes de conduite : à chaque valeur de conduite affichée à l’écran est associée une plage normale de variation. Une alarme est
  systématiquement lancée si on sort de cette plage : texte détaillant l’alarme dans panneau de contrôle, changement de couleur et alarme sonore
• alarmes incident : mise en banane du four, destruction du réfractaire, pollution au CO

simulation de pannes

• bourrage cyclone (gaz et matière)
• création d’anneau à n’importe quel endroit du four
• panne de ventilation et/ou d’alimentation en combustible
• ouverture d’air faux soudaine
• variation du PCI
• variation du facteur de saturation en chaux

constitution de bilans en temps réel

• bilan aéraulique : sensibilisation aux phénomènes d'air faux
• bilan thermique : optimisation de la consommation énergétique
• bilan chimique : aspects environnementaux, qualité de la production
• bilan financier : optimiser le ccoût de production

interface utilisateur ergonomique

• basée sur une modélisation 3D d'une cimenterie
• accès direct aux organes de commande du four par simple clic sur les composants
• nombreuses animations

état modèles

• chargement à la volée d'états modèles
• état modèles disponibles : four froid, fin de préchauffage, four en régime stable 110 T/H, four en régime stable 135 T/H

caractéristique de la modélisation objet

• 5 tranches pour le préchauffeur (4 étages de cyclones et la glisse)
• 3 tranches pour le four (1 zone de décarbonatation, 1 de cuisson et 1 capot de chauffe)
• 8 tranches pour le refroidisseur (6 chambres de ventilations, 1 puit de chute et 1 cheminée d’exhaure)
• 9 ventilateurs ( 1 tirage, 1 exhaure refroidisseur, 6 ventilateurs de soufflage et 1 ventilateur d’air primaire)
• 7 silos ( 4 combustibles, 1 silo à farine, 1 silo à clinker et 1 silo à clinker déclassé)
• 1 four rotatif
• 2 grilles refroidisseur

fonctionnalités détaillées du moniteur

monitoring en temps réel

• tracé individuel ou superposé de courbes de plus de 20 valeurs clefs (températures, pression, débits, vitesses…)
• navigation dans la courbe, zoom, définition de courbes de références
• réglage de la précision du tracé
• affichage des valeurs détaillées tracé par survol de la souris
• 6 modes d'affichage de courbes distincts
• gestion dynamique de la mémoire
• impression des courbes
• exportation au format PDF
• exportation de tableau de données brutes
• chargement de groupes prédéfinis de courbes
• monitoring testé jusqu'à plusieurs jours de simulation (temps réél et temps accéléré)

enregistrement intégral des données de la simulation

• enregistrement en temps réel des données de la simulation (plus de 20 paramètres clefs)
• gestion avancées des courbes archivées
• mise à disposition des archives pour les autres moniteurs distants
• enregistrement testé jusqu'à plusieurs jours de simulation (temps réél et temps accéléré)

superposition de courbes

• chargement de courbes modèles pré-enregistrées
• superposition de courbes temps réél avec des courbes modèles ou des courbes archivées
• fonction de synchronisation des abcisses de temps pour le calage des courbes superposées
• utilisation d'échelles relatives pur comparer des valeurs d'ordres de grandeur différents

fonctionnalités réseau

détection automatique

• détection automatique des logiciels en réseau
• identification aisée des postes du réseau et des sessions ouvertes

connexion distantes des logiciel

• le moniteur peut monitorer n'importe quel simulateur présent sur le réseau
• l'enregistreur peut constituer des archives à partir de n'importe quel simulateur présent sur le réseau
• chargement de courbes archivées dans des moniteurs distants

suivi dynamique des connexions

• icônes de connexion actives
• diffusion de messages relatifs aux connexions/déconnexions de logiciels

fonctionnalités détaillées du contrôleur

lancement à distance de scenarii prédéfinis sur un ou plusieurs simulateurs

• détection automatique des simulateurs connectés
• pannes disponibles : bourrage cyclone (gaz et matière), création d’anneau à n’importe quel endroit du four, panne de ventilation et/ou d’alimentation en combustible, ouverture d’air faux soudaine, variation du PCI, variation du facteur de saturation en chaux
• lancement multiple de pannes sur plusieurs simulateurs distants

affichage sélectif des valeurs caractéristiques de la panne

• chargement de panneaux de suivi des paramètres caractéristiques de la panne
• figeage des valeurs de conduite caractéristiques de la panne au déclenchement de celle-ci

exemple d'écrans des applications "simulateur" et "moniteur"