Ecole d’ hiver, Université d’Oran 9-12 décembre 2013

Ecole d’ hiver, Université d’Oran 9-12 décembre 2013

1

Applications de l’informatique industrielle, réseaux et génie

logiciel

Professeur Belkacem OULD BOUAMAMA

Recherche : Responsable de l’équipe de recherche MOCIS Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal de Lille (LAGIS -UMR CNRS 8219)

Enseignement: Professeur et Directeur de la recherche à Poltech lille

Mèl : [email protected],http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama

http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/

http://www.polytech-lille.fr/recherche-et-valorisation-a-polytech-lille-art136.html




mailto:[email protected]

http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama

Prof. B. Ould Bouamama Polytech Lille « École d’hiver, Université d’Oran. 9-12 décembre 2013»

Objectifs

Compétences à acquérir Acquérir les connaissances méthodologiques et pratiques pour la mise

en place de systèmes de surveillance en ligne (Détection et localisation de défauts) et hors ligne (Analyse des risques)

Comprendre le fonctionnement des systèmes de supervision en ligne (Système SCADA) évolués

Comprendre les liens entre la maintenance, le contrôle, le diagnostic en ligne, la reconfiguration et l’analyse des modes de fonctionnement et leur criticité

Rôle de l’informatique dans la mise en place d’un système de supervision

2


Bibliographie B. Ould Bouamama Conception intégrée pour la surveillance robuste des systèmes . Techniques de l’Ingénieurs AG 3

550, 2013 Blanke, M., Kinnaert, M., Lunze, J. and Staroswiecki, M. (Eds)(2007) Diagnosis and Fault-Tolerant Control,

Berlin:Springer-Verlag. A.K. Samantaray and B. Ould Bouamama "Model-based Process Supervision. A Bond Graph Approach" . Springer

Verlag, Series: Advances in Industrial Control, 490 p. ISBN: 978-1-84800-158-9, Berlin 2008. M. Ridoux « AMDEC-Moyen » techniques de l’ingénieurs, AG4220, juin 1999 B. Ould Bouamama, M. Staroswiecki and A.K. Samantaray. « Software for Supervision System Design In Process

Engineering Industry ». 6th IFAC, SAFEPROCESS, , pp. 691-695.Beijing, China. B. Ould Bouamama, K. Medjaher, A.K. Samantary et M. Staroswiecki. "Supervision of an industrial steam generator.

Part I: Bond graph modelling". Control Engineering Practice, CEP, Vol 1 and vol. 2 . 14/1 pp 71-83, Vol 2. 14/1 pp 85-96, 2006.

B. Ould-Bouamama (2009) « Conception intégrée des systèmes de supervision industrielle . Approche bond graph ».REE Revue de l’Electricité et de l’Electronique, N° 4, Avril 2009, pp.55-59.

B. Ould-Bouamama (2010) « Diagnostic en ligne à base de modèle Bond graph.».REE Revue de l’Electricité et de l’Electronique, N° 2, février 2010, pp. 111-117.

M. A. Djeziri, B. Ould Bouamama, G. Dauphin-Tanguy (2010) “LFT Bond Graph Model Based Robust Control and Diagnosis”, Book Chapter in Springer Verlag, Ouvrage collectif dirigé par Prof. W. Borutzky Bonn-Rhein-Sieg University, sera publié en 2010.

PhD Thesis, several lectures can be doownloaded http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/

3

http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/


Sommaire

Place du diagnostic et supervision dans l’industrie.

Moyens informatiques et algorithmiques pour la mise en

place d’un système de diagnostic temps réel.

Techniques et méthodes pour la conception de systèmes de

supervision.

Démonstration d’étude de cas pratiques et de projets

industriels et européens,

Conclusions, perspectives et discussions.4

Prof. B. Ould Bouamama Polytech’Lille « Integrated Design of Mechatronic Systems using Bond Graphs»

Partie 1

Place du diagnostic et supervision

dans l’industrie.

5


INTRODUCTION : Historique

Depuis 1840: Apparition de l’automatique Tâches : améliorer la qualité des produits finis, la sécurité et le rendement des unités

en implantant des commandes performantes

Depuis 1980, nouveau challenge : Supervision Rôles : Fournir à l'opérateur humain une assistance dans ses tâches urgentes de

gestion des situations d'alarmes pour l'augmentation de la fiabilité, de la disponibilité et de la sûreté de fonctionnement du processus.

Apparition de l’automatisation intégrée Commande des systèmes de production et sûreté de fonctionnement, maintenance,

gestion technique, diagnostic de fonctionnement


INTRODUCTION : Automatisation intégrée

Supervision

Monitoring

Regulation

Instrumentation

Entrée Sortie

Aide à la conduite planification, diagnostic interface homme machine

Suivi de l’état du processus Visualisation

Commande logique, régulation Optimisation

Choix et implémentation des capteurs et actionneurs

ObservationsDécisions

Niveau 3

Niveau 2

Niveau 1

Niveau 0


What is a supervision ? two levels FDI- FTC Supervision :

Set of tools and methods used to operate an industrial process in normal situation as well as in the presence of failures.

Activities concerned with the supervision : Fault Detection and Isolation (FDI) in the diagnosis level, and the Fault Tolerant Control

(FTC) through necessary reconfiguration, whenever possible, in the fault accommodation level.

SUPERVISION

FDI : How to detect and to isolate a faults ?

FTC : How to continue to control a

process ?

Supervision, maintenance et diagnostic

FTC LevelFault accommodation

Reconfiguration

List of faultsMaintenance

corrective (après faute)

Set points

Sensorsy

x

u

ur

Controllers

FDI LevelOn line Fault Detection

and isolation


Maintenance

Maintenance préventive

Maintenance Curative

maintenir les capacités opérationnelles des moyens de production

Réalisée après la défaillance d'un bien ou la dégradation de sa fonction. Permet d'accomplir une fonction requise, au moins provisoirement.

Réalisée avant la défaillance vise en effet à réduire les coûts des pannes et de maintenance par un entretien constant et préventif.

Maintenance (réalisée hors ligne)

Supervision Graphical User Interface (Interface Homme Machine IHM)

11

Contrôle

Surveillance

Suivi de variables


Quelques définitions

La sécurité Ensemble des méthodes ayant pour objet de minimiser ou supprimer les

conséquences des défaillances sur personnel et équipement

La sûreté de fonctionnement aptitude d'une entité d'une part, à disposer de ses performances fonctionnelles

(fiabilité, maintenabilité, disponibilité) et d'autre part, à ne pas engendrer de risques majeurs.

Supervision ? Technique industrielle de suivi et de pilotage informatique de procédés de fabrication

automatisés. La supervision concerne l'acquisition de données (mesures, alarmes, retour d'état de

fonctionnement) et des paramètres de commande et surveillance des processus généralement confiés à des automates programmables

Logiciel de supervision: Interface opérateur présentée sous la forme d'un synoptique.


Pourquoi Superviser ?

contrôler la disponibilité des services/fonctions

contrôler l’utilisation des ressources

vérifier qu’elles sont suffisantes (dynamique)

détecter et localiser des défauts

diagnostic des pannes

prévenir les pannes/défauts/débordements (pannes latentes)

prévoir les évolutions

Suivi des variables


Fonctions de la supervision

GESTION ERP : Enterprise Resource planning : planification des ressources de l'entreprise

• intégration des différentes fonctions de l'entreprise dans un système informatique centralisé configuré selon le mode client-serveur.

MRP : Manufacturing Resource Planning : planification des capacités de production

• Système de planification qui détermine les besoins en composants à partir des demandes en produits finis et des approvisionnements existants

PRODUCTION SCADA : Supervisory Control & Data Acquisition PC & PLC Process Control/ Programmable Logic Controller


Supervision et Monitoring

Monitoring Suivi de paramètres Sécurité (diagnostic) locale

Réguler Control des paramètres

Supervision Centralise le monitoring local et le contrôle Deux parties d’un SCAda

• hardware (collecte de données) • Software (contrôle, surveillance, affichage etc..)


Logiciels de supervision

Wonderware Leader dans le domaine de la supervision et du SCADA,

notamment au travers du logiciel InTouch, INTouch

Logiciel de supervision de référence. Bibliothèque extensible contenant de base +500 symboles graphiques prêts à l’emploi.

PANORAMA : IHM ergonomique, module de traitement des alarmes et des

évènements, un module d'exploitation des historiques. WinCC

Système de supervision doté de fonctions échelonnables, pour la surveillance de processus automatisés, offre une fonctionnalité SCADA complète sous Windows

DSPACE MATLAB-Simulink


Caractéristiques d’un SCADASimplicité, convivialitéSolveursTraitements graphiques (icônes, bibliothèques, … Supervision

Commande Surveillance Traitement des alarmes

ArchivageProgrammation Performances/Prix :

Prix : matériel + système d ’exploitation, logiciel, mise à jour, assistance, documentation

Etapes de réalisation d’un système de supervision

Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de

leurs Criticités (AMDEC)

Analyse hors ligne des conditions de surveillabilité et

de reconfigurabilité

Liste des équipements pertinents

Elaboration du système de supervision

Résultats des conditions de surveillabilité

Pla

cem

ent

de

cap

teu

rs

Test en ligne du système de supervision

Algorithmes de surveillance


Partie 2: Techniques et méthodes pour la conception de systèmes de supervision.

19


Analyse des risques

Rôle du responsable d’un processus à haut risque Identifier les risques Quantifier les risques Définir le degré d’acceptabilité de chaque risque Définir la faisabilité et le coût de l’amélioration de la sécurité Mettre en place des actions de sécurisation de certains risques

Différentes méthodes Analyse préliminaire des risques (APR) preliminary hazard analysis (PHA) AMDE Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets (Failure mode and affect analysis)

AMDEC (FMECA) Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité Hazard and operability study (Hazop) Hazard analysis and critical control point (HACCP) Evaluation probabilistique des risques (EPR) Probabilistic risk assessment

20


Sécurité et risque

21


AMDEC : Méthodologie et définitions

L'Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité (AMDEC) outil de sûreté de fonctionnement (SdF) et de gestion de la qualité.

AMDEC est la traduction de l'anglais FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis,

Analyse des Modes de Marche et De leur Criticité. Technique d’analyse, en maintenance prédictive, permettant de détecter à l’avance, les points faibles d’un système, afin de l’améliorer ou de prévoir les pannes à venir.

22


Objectifs

1) Anticiper les problèmes avant qu’ils ne se produisent. Construire la qualité des produits fabriqués ou des services rendus. Favoriser la maîtrise de la fiabilité en vue d’abaisser le coût global. remettre en question le fonctionnement, sans attendre un incident Evaluation de la fiabilité et détermination des points critiques

2) Mieux appréhender les risques de défaillance et ainsi les éviter en mettant en place : des éléments de secours (redondance) des technologies + performantes des méthodes de surveillance adaptées une maintenance préventive plus efficace des diagnostics de pannes plus rapides

23

Défaillances dans une PAC

Anode

Humidificateur

FiltreCharge H2

AirCompresseur

CondenseurSéparation de

phase

Réservoir

EauÉchappement

Sortie H2

Détendeur

TRC FRC

PRC

Fuites H2

Dégradation de pile: réversible;

irréversible

Cath

ode

Panne de refroidissement

Décrochage et surtension de

rotor en tournant

Air

Défauts Actionneur

Défaut Correcteur

Exemple : Pile à Combustibles

25

Défaillances d’unepile à combustible

Dégradationsréversibles

des performances

Accumulation d’eaudans les zones dediffusion

Bouchon d’eaudans les canaux

de distribution

Assèchement dela membrane et

des zones catalytiques

Empoisonnement del’assemblagemembraneélectrode

Dégradationsirréversibles

des performances

Oxydation dusupport de

l’électro-catalyseur

Percement dela membrane

Migration et agglomération des

grain d’électro-catalyseur

PoisonsBouchon d’eau dans les canaux

Percement de la membrane

Accumulation d’eau dans les zones de

diffusion

Basse TTrop d’eau

Manque d’eau

Oxydation du support du catalyseur

Sous stœchiométrie

Sur stœchiométrie

Haute T

ou

ou

ou

ou

ou

ou

Pression diff.

ou

Dégradations propriétés physico-

chimiques de la membrane

Distribution irrégulière

de la densité de courant

Bouchon d’eau dans les canaux

Réactions Parasites

Manque de réactifs

Assèchement

Agglomération et Migration catalyseur


Analyse du graphe

Défaillance gestion de l’eau Grandeur à surveiller importante Car tous les chemins mènent à cette dégradation

3 niveaux de défaillances 1. Dégradations irréversibles (événements redoutés) 2. Dégradations réversibles

• FDI doit en temps réel détecter ces défauts avant niveau1 3. Causes des défaillances Thermique , fluidique et chimiques (gestion des flux des réactifs)

Exemple de mise en oeuvre

28

Composant Modes de défaillance

Causes possibles

Effets Moyen de détection

Niveau de criticité

Observa-tions

Vanne Bloquéefermée

Grippé VidangeArrêt prod.

Surveillan-ce des opérateurs

Moyen

Bloquéeouverte

Encrase-ment

Risque de débordement

Elevé Systèmede sécu.

capteur

vanne

PRC

LHS

Probabilité d’occurrence (F) Probabilité de non-détection (G) Niveau de gravité (N)

Criticité :C = F x G x N


Logiciels de AMDEC

Logiciels AMDEC : fonctions Stockage centralisé des données et intégration avec les autres outils

logiciels de fiabilité Planification basée sur la fiabilité (DFR) Analyse des modes de défaillance et de fiabilité (FMRA)

• TDC FMEA propose tous types d’AMDEC au sein de la même licence logicielle : AMDEC Produit, AMDEC Process, AMDEC Moyen, diagrammes de flux

• Skill Designor Pro : Logiciel pour créer, tenir à jour et capitaliser les études AMDEC - FMEA.

• Logiciel Skill HACCP (connu dans l’agro alimentaire)• Logiciel Sfmea

29


CONCLUSION

30

L'AMDEC « produit », par l'analyse des pannes, la fréquence d'apparition et les temps d'arrêt favorise :

Une conception intégrant la maintenance

Améliore la fiabilité et les performances

L'AMDEC est donc un outil de prise de décision raisonnée dans un cadre d’amélioration de la qualité de 3 types :

-> Préventives

-> Correctives

-> Amélioratives


Avantages et inconvénients de AMDEC

Avantage permet de mener des actions préventives, c’est à dire de résoudre les

problèmes avant que ceux-ci ne se présentent. Si cette méthode est suivie tout au long du cycle de vie du produit, la production en sera améliorée et débarrassée de problèmes majeurs.

Inconvénients nécessite une connaissance poussée de la question à étudier. En

général, un brainstorming avec plusieurs personnes impliquées de la conception à la livraison du produit est nécessaire. Pour cela, il faut donc qu’une équipe puisse se mettre d’accord sur les modes de défaillance étudiés. Cette méthode est, de ce fait, lourde à mettre en place.

31


Surveillance en ligne

32

u

Correcteur Actionneur Processus Capteurx

y

Commande tolérante aux fautes et

reconfiguration (FTC)

Service de maintenance

Système physique à surveiller

Interface de Supervision en ligne

Détection

Localisation des défauts

Diagnostic (Identification du type de défaut)

Hors ligne

FTC: Fault accommodation

FTC: Fault accommodation

ProcessController

FDIFault

Accomodation

Controller parameters

Ref.

Yu

Su

perv

isio

n

FTC: Fault Reconfiguration

FTC: Fault Reconfiguration

FDI

New controlconfiguration

Reconfiguration

Yref

Nominal Controller

Process Yu

u'New Controller

Y’ref

Y’

Su

perv

isio

nC

ON

TR

OL


FT (Fault Tolerance)

Analysis of fault tolerance : The system is runing under faulty mode Since the system is faulty, is it still able to achieve its objective(s) ?

Design of fault tolerance : The goal is to propose a system (hardware architecture and sofware

which will allow, if possible, to achieve a given objective not only in normal operation, but also in given fault situations.


Fault Detection and Isolation (FDI). FDI Purpose

Objectives : given I/O pair (u,y), find the fault f . It will be done in 3 steps :

DETECTION detect malfunctions in real time, as soon and as surely as possible : decides whether

the fault has occured or not

ISOLATION find their root cause, by isolating the system component(s) whose operation mode is

not nominal : find in which component the fault has occured

DIAGNOSIS diagnose the fault by identifying some fault model : determines the kind and severity of

the fault


Relation entre FDI et FTC

37

RE

GIO

N D

AN

GE

RE

US

E

RE

GIO

N D

AN

GE

RE

US

E

REGION DANGEREUSE

PERFORMANCES INACCEPTABLES

PERFORMANCES INACCEPTABLES

Y1

Y2

PE

RF

OR

MA

NC

ES

D

ÉG

RA

DÉ

ES

PERFORMANCES DÉGRADÉES

PERFORMANCES REQUISES

Reconfiguration

Fault

FDI: Medical interpretaion

0T

37

+

-

NON

OUI

Exam

en

clin

iqu

eD

iag

nosti

c

Etapes de FDI

39

Alarmes

Fonctionnement normalModèle

+-

DIAGNOSTIC

Type de panne

Détection : Est ce réellement une faute?

Localisation : Quel composant est déféctueux ?

Identification : Quel type de défauts?

DECISION

Composant défectueux

cahier des charges


Méthodes de surveillance

++++++

++++++

+D2

Méthodes de surveillance sans modèle

41

Méthodes de reconnaissances de formes Détermination d’un certain nombre de classes (apprentissage) A chaque classe est associé un mode de fonctionnement (normal, défaillant) Chaque donnée prélevée est affectée à l’une de ces classes : détermination du mode de

fonctionnement

Exemple : surveillance d’une conduite d’alimentation

Différence de pression Pr(t)

Débit : Q(t) *

**

***

**

**

*

*

*

*

*

**

D1

1) : Phase d’apprentissage

2) : Phase surveillance temps réel


Commentaires

Only experimental data are exploited Methods : statistical learning, data analysis, pattern recognition, neuronal networks, etc.

Problems need historical data in normal and in abnormal situations, every fault mode represented ??? generalisation capability ??


METHODES QUALITATIVES Utilise la connaissance intuitive du monde :

appliquer des modéles de pensée humaine pour des systèmes physiques Exemple : « Quand la pression augmente, le débit augmente »

L'avantage principal des méthodes qualitatives: possibilité de n'utiliser que le modèle qualitatif: aucun besoin de grandeurs

numériques des paramètres ni de connaissances profondes sur la structure du système.

Inconvénients Les défaillances des capteurs ne sont pas détectées. Il n'est pas aisé de déterminer les

valeurs limites inférieures et supérieures de déviation. D'autre part un problème combinatoire peut apparaître lors des procédures d'inférences pour les systèmes complexes.

Méthode à base de modèle

S E N SO R SS E N SO R S

Process actual operation

RESIDUALGENERATORRESIDUAL

GENERATOR

MODEL OF THE NORMAL

OPERATION

MODEL OF THE NORMAL

OPERATION

ALARM GENERATION

0

Isolation Identification

ALARM INTERPRETAION

Detection

Méthodes de surveillance à base de modèle

45

Exemple : surveillance d’une conduite d’alimentation

Différence de pression Pr(t)

Phase 1 détermination d’un indicateur de faute (Hors ligne)

2

Modéle du système

Equations de mesure

m

m

P KQ

P P

Q Q

21

Génération d'un indicateur de faute

m mP KQ R

Phase 2 Implémentation en ligne

mQmP

21m mP KQ R


Analytical redundancy :How to generate ARRS ?

What is ARR ?Given

The ARR express the difference between information provided by the actual system and that delivered by its normal operation model.

What is Residual ?

46

)(

),()1(

xCy

uxfx

)1()(1 yCx ARRuydt

yCd

),,))((

(1

uy

dtyCd

,,))(( 1u

yr

)(ARREvalR


Steps in FDI system (1/4)

1. Détection Opération logique : On déclare le système est défaillant ou non défaillant Les critères

• Non détection ou détection trop tardive ➽ Conséquences catastrophique sur le process

• Fausses alarmes ➽ Arrêts inutiles de l’unité de production. Plus de confiance de l’opérateur

Test d’hypothèses : La détection se ramène à un test d’hypothèses• H0 : hypothèse de fonctionnement normal (Domaine de

décision D0)• H1 : hypothèse de fonctionnement défaillant (Domaine D1)• Dx : Domaine de non décision


Steps in FDI system (2/4) Problematic

• Given R=[r1, ….rn] fault indicators

• Two distributions are known p(Z/H0) and p(Z/H1)

• One of two hypotheses, H0 or H1 is true What to do ?

• Verify if each ri (i=1,..n) belongs to p(Z/H0) and p(Z/H1)

• 4 possibilities

H0 H1

Decide H0 OK Missed detection

Decide H1 False alarm

OK


Steps in FDI system (4/4)

2. Localisation Etre capable de localiser le ou les éléments défaillants Les critères

• Non isolabilité ➽ Conséquences catastrophique sur le process• Fausses isolabilité ➽ Arrêts inutiles de l’unité (ou de

l’équipement) défaillant. Plus de confiance de l’opérateur de maintenance

Identification (diagnostic) Lorsque la faute est localisée, il faut alors identifier les causes précises de cette

anomalie. On fait alors appel à des signatures répertoriées par les experts et validées après expertise et réparation des dysfonctionnements.


SpecificationsS

pec

ific

atio

ns

Sp

ecif

icat

ion

s

Which parameters must be supervized ?What are the non acceptable values ?Objectives

Performances

false alarmmissed detectiondetection delay

Available dataother (cost, complexity, memory, ...)Constraints

Redondance analytique et matérielle

51

R

S1 or S2

0P

.P*Q 111

dt

dCR

S2

Redondance matérielle

Detection IsolationSensors

0S

.S*Fr 1111

dt

dCR

S3 S2 S1

F2

F1

0*Q2 PR 0S*Fr 122 R

Redondance analytique

?

LeakageS1F1 Valve R F2

r1

r2

1 1

0

1

10

1

1

0

1

1 1

0

1

10

1

1

0

1

Monitorability analysis

Detectability and isolability

Faults and ARRFault Signature Matrix (FSM)

Ib 0 0 0 0 1

Mb 1 1 1 1 1

F1 S1 Leak. Valve R F2

ARR11 1 1 1 0

ARR20 1 0 1 1

21

211 .

ARRARRARR

FValveRLeakSFF

Signature vectors

10

11

01

11

01

2

1

1

F

RValve

Leak

S

F

V

V

V

V

V

Hamming Distance ji SCD

C: Binary coherence vector

Sj : Signature vector of the jth component to be monitored

to isolate k failures, the distance should be equal to 2k + 1.

Degré d’isolabilité

Hamming Distance of given example

F1 S1 Leak. Valve R F2

F1 0 1 0 1 2

S1 0 1 0 1

Leak. 0 1 2

Valve R 0 1

F2 0

Signature vectors

10

11

01

11

01

2

1

1

F

RValve

Leak

S

F

V

V

V

V

V

The Hamming distance shows the ability to isolate two faults.

200011000

300011111

310001111

32

31

21

,

,

,

FF

FF

FF

D

D

D 0001

1000

1111

3

2

1

F

F

F

V

V

V

Observateur et identifiaction

y Modèle

U

y

Residu+-

ref

yObservateur

Uy

Residu+-

y

Principe de l’observateur

A

Cxx

0x

y)(tu

+

B

PROCESS

x

y

B

Kx

AA

C

xAˆ

)(tBu

)ˆ( yyK +

-

+

+

OBSERVER

xCˆ

y

pmn uyx

tCxy

tButAxtx

,,

,)(

)()()(

0ˆ)0(ˆ

)(ˆˆ

)(ˆ)()()(ˆ)(ˆ

xx

txCy

txCtyKtButxAtx

Observateur pour le diagnostic

Residual

Process

Observateur

Compare

u

y

y

Conception intégrée de systèmes pilotés : Démarche

Thème 1

Propriétés formelles et comportementales

,...,,,,,,

),(

),,(

SeICRyux

xCy

uxFx

Dynamique Modèle

Indicateurs de fautes formels

Dimension-nement

Synthèse de lois de commande

Thème 2

Placement de Capteurs et actionneurs

Propriétés structurelles et causales

Commandabilité,Observabilité

Surveillabilité,Reconfigurabilité

Simplification de modèles

Thème 2

Thème 3Informatisation

Test en ligne


Pourquoi les BGs pour la conception intégrée ? Graphes et Bond Graphs : quelles différences ?

)(

),(

xCy

uxFxModèle

SfSeDfDe

GYTF

JICRS

ASG

C

,,

),(

58


Génération automatique des modèles

59


Why Graphical Approach for integrated design?

Graphical methods that are based essentially on structural models Graph structures independent of the numerical values of the syst. parameters. Structural properties are independent of the values of the system Structural description of a system expresses only the links between the variables and the

constraints Visualization of the system topology

Many different kinds of models linear, non linear can be used (qualitative, quantitative, static, dynamic, rules, look-up tables, …)

Lack Structural analysis produces only structural properties

60


State of art

61

BOND GRAPH For MODELLING (1959)

Control (Vergé, Gawtrop, Dauphin, Sueur, Rahmani..) 1991

Diagnosis Sizing

Qualitative approach (1993)Linkens, Mosterman, Kohda, ..

Quantitative approche (1995)

Coupled BG (Ould Bouamama 198)

Robust Diagnosis Extension to coupled BG Automated Diagnosis Design of supervision system

Opend loop system Linear Systems Sensor and actuator Faults

Monoenergy Bond Graph (Tagina 95)

Hybrid Bond Graph (Biswas, Mosterman (USA)


Partie 4: Applications

62

DC motor as example

63

ELECTRICAL PART

ua

ia

MECHANICALPART

w LOAD

Systematic State equations generation

64

wua

ia

(J,f)RaLa

im

m

MSe:Ua ia

ua 1L

w

I:J

w

R:f

Se:-L

f

J

1

R:Ra

I:La

uM

ia

uRa

uLa

ia

MGY:K

w

Df:mDf:im

65

Automated Control analysis

Algorithme de génération des RRAs à partir du modèle BG

66

❶ Mettre le BG en causalité dérivée en inversant les causalités des capteurs.

MSe:Ua ia

ua 1L

w

I:J

w

R:f

Se:-L

f

J

1

R:Ra

I:La

uM

ia

uRa

uLaia

MGY:K

w

SSf:mSSf:im

OUR DC MOTOR

67

Ai fi

MM RJ ,

AA RL ,

fUInductor

L:LoadAU

mi

m

❷ Ecrire l’équation de jonction de structure 0 et 1 (représentant la conservation de puissance contenant au moins un détecteur

1

1

0, "0" Junction

ARRs Candidates

0, "1" Junction

n

ii

n

ii

f

e

MSe:Ua

ia

ua1

L

I:J

R:f

Se:-L

f

J

1

R:Ra

I:La

uM

ia

uRa

uLaia

MGY:K

SSf:mSSf:im

11

n

A RA La Mi

U U U U RRA

21

n

f j Li

RRA

❸ Eliminer les variables inconnues en parcourant les chemins causaux sur le BG de la variable inconnues vers une variable connue (capteur ou source)

MSe:Ua

ua1

L

w

I:J

w

R:RM

Se:-L

f

J

1

R:RA

I:La

uM

ia

uRa

uLaia

MGY:K

w

SSf:mSSf:im

?AU

?RAU 1 (.) :RA RA A mU i SSf i RA A mU R i

?LAU 1 ( ) :LA LA LA A mU U i SSf i

?MU 1 ( ) :M GY M mU U SSf

mLA A

diU L

dt

M mU K

:A AU MSe U :A AU MSe U

11

n

A RA La Mi

U U U U RRA

1 me A m A m

diRRA MS R i L K

dt

mi:SSf

1mCAi

RAC

LAC

LAU

2GYC

m:SSf 2mC 1GYC

AU

MU

Ai

JMC

RAC R

AU:MSe

: LSe

AJC 1

MJC 1

J

RAU

L

2m

L M m M m

dRRA R J K

dt

DECISION : Monitorability and Isolability

DECISION : Monitorability and Isolability

Ri/fautes R1 R2 Mb Ib

f1 Se:Ua 1 0 1 0

f2 Df:im 1 1 1 0

f3 Partie élec. 1 0 1 0

f4 GY 1 1 1 0

f5 Df:ωm 1 1 1 0

f6 Partie méca. 0 1 1 1

Isolability

1 ( 1, ) ( )

0 sinonj l

bj

if m V V iI

èmei

FSM (Fault Signature Matrix)

1 si le résidu est sensible au défaut

0 sinon

èmej

ij

i r j fS

fi/fj f1 f2 f3 f4 f5 f6

f1 0 1 0 1 1 2

f2 0 1 0 0 1

f3 0 1 1 2

f4 0 0 1

f5 0 1

f6 0

Distance of Hamming

Informatisation FDIPAD

Informatisation FDIPAD

Robustness problem

Robustness problem

How to fix threshold ?How to fix threshold ?

(a)

(b)

Défaut sur capteur du

courant égal à 15%

de sa valeur

nominale

Fonctionnement normal

2

1

1 3

N

ii

S x x SN

Seuil simple: 3*std

What about parameter uncertainties ?

What about parameter uncertainties ?

False alam because of parameter uncertainties !!!!

introduction of 5% of nominal value of RM

Linear Fractional Transformation

Any rational expression can be written under LFT form

76

LFT Representation

Transfert Function

LFT Représentation State space representation

1

1 2

1 11 12

2 21 22

1 1

M: Augmented uncertainties matrix

,..., , ,...,nm q n q

x Ax B w B u

z C x D w D u

y C x D w D u

I I

Exemple

77

R L

i A

R L

i A

R L

Se: ui A

nRn RRR n L nL L L

Se: u1 4

1

R:Rn

De*:z R

MSe:wR 25

9

0Rδ- 6

Df: i

I:Ln

3

10

0

MSf

:wL

7Lδ-

Df*

:z L

8

R:RR:RR:R

2222

I:L

3

Determinist Diagnosis

78

I:L

3

1

Se:

uR:RR:RR:R

1111

2222

4444

SSf: iDf: i

0:Φ 231J1 SSfeeee ?,, 231 eeeX

?1e See 11- Se

?2e ie R2SSf- 2-R-2

)/)(()(:ARR1 dtidiSe LR

?3e SSf- 3- L- 3

dt

die L3

R L

i A

R L

i A

R L

Se: u

i A

Robust Diagnosis

79

MSe:wL

R:Rn

I:Ln

De*

:z L

De*:z R

Se: u

SSf: i

MSe:wR

1

2

3

5

4

7

8

9

10

0

1

0

Rδ-

Lδ-

0:Φ 75231J1 SSfeeeeee ?,,,, 75231 eeeeeX

?1e See 11- Se

?2e ienR2SSf - 2- 9- Rn - 9- 2

LRLR wwdtidiSenn

)/)(()(:ARR1

?3e SSf - 3 - 10- Ln- 10- 3

dt

die

nL3

6

?5e Rwe 55- MSe:wR

?7e Lwe 77- MSe:wL

Robust ARRs

80

LRLR wwdtSSfdSSfSenn

)/)(()(:ARR1

MSe:wL

R:Rn

I:Ln

De*

:z L

De*:z R

Se: u

SSf: i

MSe:wR

1

2

3

5

4

7

8

9

10

0

1

0

Rδ-

Lδ-

6

LR

LR

ww

dtSSfdSSfSenn

a

)/)(()(r :ARR1

ara

OUR DC MOTOR

81

Ai fi

MM RJ ,

AA RL ,

fUInductor

L:LoadAU

mi

m

Robust ARR From BG DC motor

Uncertain ARRs

82

R(t)

(t)

adaptive thresholds

Resultats de Simulation

83

Residuals in normal operation


84

Réaction des deux résidus robustes suite à une variation des paramètres RA et RM d'une valeur supérieure à leur incertitude relative


85

Réaction des deux résidus robustes suite à une variation des paramètres RA et RM d'une valeur égale à leur incertitude relative

Fault detectability index DI

The fault detectability index DI is the difference in absolute value between the effort (or flow) provided by

faults and those granted by all the uncertainties.

86

87/13

CENTRALE THERMIQUECENTRALE THERMIQUE

STEAM GENERATOR P & I DIAGRAM

Pro

cess d

ela

y s

yste

m

FIR10

PR11

PIR16

TR17

PC2

PR14

PR15

TR38PR

38

TR29PR

31

V1

V6

User

PR13

PR12

ZC1

V2

V11

BOILER

LIR9

LIR8

LG1

TR5

PC1

PIR7

TR6

Q4

Thermal resistor

LC1

V10

60kW

FIR3

P2

P1

V9

STORAGE TANK

TIR2

LIR1

LG3

STEAM FLOW

FEED WATER

CONDENSER HEAT-EXCHANGER

V8

Condensate

V4

V5

LG2

LC2

Aero-refrigerator

TIR26

Environment FIR23

FIR24

TIR27

TIR21

Cooling water

P3

P4

TIR22

TC5

PR27

TIR20

LIR19

LIR18

V3

TIR25

89\93

WORD BOND GRAPH OF THE INSTALLATION

Condenser

Cooling circuit

TP,

mH ,

TP,mH ,

Condenser-Heat exchanger

mH ,

TP,Boiler

mH ,

TP, Steam expansio

n mH ,

TP,

Feed water circuit

TP, mH ,

ReceiverTP,

mH ,

Discharge valves

TP,

mH ,

Voltage source

i U

Q

Thermal resistor

T

Logiciel «FDIModelBuilder » for ARR generation

Analyse de la surveillabilité

91

Implémentation temps réel

Fixation des seuils

Simple test

Application de CuSumS

imp

le t

est


Conclusion

La supervision dans l’industrie aujourd’hui Contrôle : PIDs bien adoptés par l’industrie Supervision: Grande demande mais confiance encore forte d’abord à l’opérateur Utilisation principalement de la redondance matérielle et sécurité pars seuil AMDECs plus connus par les industriels : HSQE

La supervision : quelles compétences ? Informatique industrielle (API), contrôle et connaissance du process Gestion des IHMs Analyse des risques

La supervision dans l’industrie : et demain ? Bien développée dan l’aéronautique (FDI et FTC) Rôle des RFID, Informatique et Automatisation intégrée Télésurveillance, intégration des méthodes à base de données, qualitatives et de

connaissance

Ecole d’ hiver, Université d’Oran 9-12 décembre 2013

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