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

1. Ecole d’ hiver, Université d’Oran 9-12 décembre 2013 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 Poltechlille Mèl : Belkacem.ouldbouamama@polytech-lille.fr, http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama

2. 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

3. 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, Ouvragecollectifdirigé par Prof. W. Borutzky Bonn-Rhein-Sieg University, sera publié en 2010. • PhD Thesis, several lectures can be doownloadedhttp://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/

4. 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.

5. Partie 1 Place du diagnostic et supervision dans l’industrie.

6. 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

7. INTRODUCTION : Automatisation intégrée Aide à la conduite planification, diagnostic interface homme machine Supervision Niveau 3 Suivi de l’état du processus Visualisation Monitoring Niveau 2 Commande logique, régulation Optimisation Regulation Niveau 1 Choix et implémentation des capteurs et actionneurs Instrumentation Niveau 0 Décisions Observations Sortie Entrée

8. Whatis a supervision ? twolevels 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 ?

9. Supervision, maintenance et diagnostic List of faults Set points Maintenance corrective (après faute) FDI Level On line Fault Detection and isolation FTC Level Fault accommodation Reconfiguration y Sensors Controllers u ur x

10. Maintenance (réalisée hors ligne) maintenir les capacités opérationnelles des moyens de production Maintenance Maintenance Curative Maintenance préventive Réalisée avant la défaillance vise en effet à réduire les coûts des pannes et de maintenance par un entretien constant et préventif. Réalisée après la défaillance d'un bien ou la dégradation de sa fonction. Permet d'accomplir une fonction requise, au moins provisoirement.

11. Supervision Graphical User Interface (Interface Homme Machine IHM) Suivi de variables Contrôle Surveillance

12. 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 surveillancedes processus généralement confiés à des automates programmables • Logiciel de supervision: • Interface opérateur présentée sous la forme d'un synoptique.

13. 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

14. 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

15. 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..)

16. 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

17. Caractéristiques d’un SCADA • Simplicité, convivialité • Solveurs • Traitements graphiques (icônes, bibliothèques, … • Supervision • Commande • Surveillance • Traitement des alarmes • Archivage • Programmation • Performances/Prix : • Prix : matériel + système d ’exploitation, logiciel, mise à jour, assistance, documentation

18. Etapes de réalisation d’un système de supervision Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leurs Criticités (AMDEC) Placement de capteurs Liste des équipementspertinents Analyse hors ligne des conditions de surveillabilité et de reconfigurabilité Résultats des conditions de surveillabilité Elaboration du système de supervision Algorithmes de surveillance Test en ligne du système de supervision

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

20. 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

21. Sécurité et risque

22. 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 CriticalityAnalysis, • 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.

23. 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

24. Défaillances dans une PAC Filtre Détendeur H2 Défauts Actionneur Charge Compresseur Air Décrochage et surtension de rotor en tournant Panne de refroidissement Défaut Correcteur Dégradation de pile: réversible; irréversible Fuites H2 Humidificateur Cathode Anode TRC FRC Sortie H2 Séparation de phase Condenseur PRC Air Réservoir Échappement Eau

25. Exemple : Pile à Combustibles

26. Percement de la membrane Agglomération et Migration catalyseur Oxydation du support du catalyseur ou ou Distribution irrégulière de la densité de courant Dégradations propriétés physico-chimiques de la membrane Réactions Parasites Manque de réactifs Pression diff. Bouchon d’eau dans les canaux ou Assèchement Poisons Accumulation d’eau dans les zones de diffusion Bouchon d’eau dans les canaux ou ou Sur stœchiométrie Manque d’eau Haute T Sous stœchiométrie Basse T Trop d’eau ou ou

27. 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)

28. Exemple de mise en oeuvre Criticité : C = F x G x N vanne LHS PRC • Probabilité d’occurrence (F) • Probabilité de non-détection (G) • Niveau de gravité (N) capteur

29. 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 • SkillDesignor Pro : Logiciel pour créer, tenir à jour et capitaliser les études AMDEC - FMEA. • Logiciel Skill HACCP (connu dans l’agro alimentaire) • Logiciel Sfmea

30. CONCLUSION 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 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

31. 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.

32. Surveillance en ligne

33. Controller Fault Accomodation Process Controller parameters FTC: Fault accommodation FDI Supervision Ref. u Y

34. Reconfiguration FDI Supervision Process New control configuration Yref Y Nominal Controller u Y’ New Controller u' Y’ref CONTROL FTC: Fault Reconfiguration

35. 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.

36. FaultDetection 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

37. Relation entre FDI et FTC REGION DANGEREUSE PERFORMANCES INACCEPTABLES PERFORMANCES DÉGRADÉES Fault PERFORMANCES DÉGRADÉES REGION DANGEREUSE REGION DANGEREUSE Reconfiguration PERFORMANCES INACCEPTABLES Y2 PERFORMANCES REQUISES Y1

38. FDI: Medicalinterpretaion Examen clinique 37 NON - 0  OUI T + Diagnostic

39. Etapes de FDI Détection : Estceréellementunefaute? Fonctionnement normal Modèle + - Alarmes DECISION Localisation : Quelcomposantestdéféctueux ? cahier des charges Composant défectueux Type de panne Identification : Quel type de défauts? DIAGNOSTIC

40. Méthodes de surveillance

41. Méthodes de surveillance sans modèle Exemple : surveillance d’une conduite d’alimentation 2) : Phase surveillance temps réel 1) : Phase d’apprentissage D2 + + + + + + D1 + * + * + + * + * Débit : Q(t) * * * + + * * * * * * * * * * • 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 Différence de pression Pr(t)

42. 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 ??

43. 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.

44. Méthode à base de modèle MODEL OF THE NORMAL OPERATION Process actual operation ALARM GENERATION S E N SO R S 0 Detection RESIDUAL GENERATOR ALARM INTERPRETAION Identification Isolation

45. Méthodes de surveillance à base de modèle Exemple : surveillance d’une conduite d’alimentation Phase 2 Implémentation en ligne Phase 1 détermination d’un indicateur de faute (Hors ligne) Différence de pression Pr(t)

46. Analyticalredundancy :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 ? r u y

47. 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

48. Steps in FDI system (2/4) • Problematic • Given R=[r1, ….rn] faultindicators • Two distributions are knownp(Z/H0) and p(Z/H1) • One of twohypotheses, H0 or H1istrue • What to do ? • Verify if each ri (i=1,..n) belongs to p(Z/H0) and p(Z/H1) • 4 possibilities

49. 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.

50. Specifications Which parameters must be supervized ? What are the non acceptable values ? Objectives false alarm missed detection detection delay Performances Available data other (cost, complexity, memory, ...) Constraints Specifications