La modernisation du contrôle-commande, une opération minutieuse

06/03/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-1:18880
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La modernisation du contrôle-commande, une opération minutieuse

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64 REE N°1/2017 LE GRAND CARÉNAGEDOSSIER 1 Introduction Le programme « Grand Carénage » comporte un important volet consa- cré à la modernisation du contrôle commande des centrales du parc nucléaire, qui débute avec les 20 tranches du palier 1300 MW. Les in- terventions sont synchronisées avec la troisième visite décennale de cha- cune d’elles. L’objectif est à la fois de traiter l’obsolescence d’une partie des équipements – dont certains datent de la construction des tranches et deviennent de ce fait plus difficiles à maintenir – et d’apporter des amélio- rations de sûreté, comme l’exige la ré- glementation, qui impose tous les 10 ans un réexamen de sûreté de chaque tranche en exploitation. Ainsi, tous les travaux sont contraints par le planning des visites décennales des tranches de l’exploitant, EDF. En 2016, deux chantiers de moder- nisation du contrôle-commande ont été réalisés sur les centrales de Paluel 1 (Seine-Maritime) et Cattenom 1 (Lorraine). En 2017, deux nouveaux chantiers sont programmés à Saint- Alban 1 (Isère) et Paluel 3. Avec les retours d’expérience et les améliora- tions constatées sur la logistique des premières installations, le rythme des chantiers de modernisation s’intensifie- ra, passant à trois opérations de moder- nisation en 2018 puis à quatre en 2019. Présentation d’un système de contrôle-commande Avant de rentrer dans le détail de ce projet, il convient de revenir sur la défi- nition de ce que l’on appelle commu- nément le « contrôle-commande » dans une centrale nucléaire. Dans une unité de production, le contrôle-commande désigne l’ensemble des matériels et logiciels qui permettent de contrôler son fonctionnement et de régler sa pro- duction. L’image la plus couramment employée pour l’illustrer est celle d’un système nerveux, car, assez classique- ment, il se compose de capteurs, de calculateurs et d’actuateurs. Disséminés dans l’installation, les capteurs effec- tuent automatiquement des mesures et transforment ces données physiques en signaux électriques. Ces signaux sont transmis à des automates program- mables qui traitent ces informations, les associent à d’autres données d’entrée, procèdent à des calculs, élaborent des ordres d’exécution et/ou transmettent toutes ces informations à la salle de commande. Celle-ci permet à des opé- rateurs de superviser, surveiller et piloter l’ensemble de l’installation 24 heures sur 24, via des interfaces homme-machine. La modernisation du contrôle-commande, une opération minutieuse Ingrid Feron1 , Laurent Everwyn2 Chef du service en charge de la conception du contrôle-commande pour le parc nucléaire en exploitation - EDF 1 , Chef du projet « 3e visites décennales » des unités de production 1 300 MW du programme « Grand Carénage »2 The project to refurbish instrumentation and control systems as part of the Grand Carénage fleet upgrade programme started in 2010, encompassing the stages of contractual arrangements, studies and tests. It is the biggest technical challenge of the Grand Carénage project. Work to optimise the physical and cognitive ergo- nomics of main control rooms has been carried out by a working group made up of R&D teams, occupational health specialists, and ergonomists from DCNS (naval defence and energy company) with expertise in nuclear submarines, where the constraints of operating in confined spaces are significant. All main control room equipment has been designed to with- stand severe events such as tornadoes and earthquakes. Such an extensive operation had never been carried out in the French fleet or probably elsewhere in the world. Requa- lification of the new systems required close to 200 test pro- cedures, comprising approximately 800 tests. At peak times, the project mobilised up to 150 operators at once. ABSTRACT Le projet de modernisation du contrôle com- mande mené dans le cadre du programme « Grand Carénage » a débuté en 2010 en tenant compte des étapes de contractualisation, d’’études et de tests. C’est l’aspect le plus technologique du projet « Grand Carénage ». Un travail d’optimisation de l’ergonomie physique et cogni- tive de la salle de commande a été mené au sein d’un groupe de travail regroupant des équipes de la R&D, le ser- vice de santé au travail et des ergonomes de DCNS, qui possèdent une expertise dans les sous-marins nucléaires, où les contraintes globales sont très élevées en termes de confinement. L’ensemble des équipements de la salle de commande est conçu pour résister à des événements exceptionnels du type tornades ou séismes. Une opération d’une telle am- pleur n’avait jamais été menée sur le parc français et sans doute au niveau mondial. La requalification des nouveaux systèmes a nécessité près de 200 procédures d’essais regroupant environ 800 essais. Lors des pics d’activité, le projet mobilise jusqu’à 150 intervenants en parallèle. RÉSUMÉ REE N°1/2017 65 La modernisation du contrôle-commande, une opération minutieuse En fonction de la situation et des infor- mations collectées, soit les automates agissent directement sur les actuateurs, de façon automatisée, soit ce sont les opérateurs de la salle de commande qui interviennent. Si l’on rentre davantage dans le dé- tail, le contrôle-commande se présente comme un ensemble architectural complexe, composé d’un nombre très important de matériels et de logiciels, fortement reliés entre eux, dont l’ordon- nancement et l’assemblage constituent ce que l’on appelle « l’architecture de contrôle-commande ». A des fins de sim- plification, cette « architecture » est clas- siquement structurée en quatre niveaux, s’étageant de 0 à 3, chacun d’eux corres- pondant à une étape dans la chaîne de traitement de l’information pour assurer d’une part le contrôle, et d’autre part la commande de l’installation : concerne l’interface du système de contrôle-commande avec le procédé à contrôler et à piloter. C’est le domaine des capteurs qui effectuent des mesures de pression, de débits, de températures, d’états des vannes (ou- vert/fermé) ou des pompes (marche/ arrêt) et aussi des actionneurs qui « agissent » sur le procédé ; regroupe les automatismes, qui assurent deux types de missions : - agir (ou réagir) en automatique de manière (très) rapide, mais adaptée, en envoyant des ordres aux action- neurs, en fonction des informations reçues des capteurs ou des com- mandes adressées par l’opérateur depuis la salle de commande ; - transmettre à l’opérateur en salle de commande les informations collec- tées par les capteurs sur l’état du procédé, comme les informations « d’alarmes », dès qu’il détecte une situation anormale sur le matériel ou l’installation. porte sur la conduite de l’installation. En pratique ce niveau en- globe la salle de commande, point cen- tral du système, qui dispose de tous les moyens pour contrôler l’état de la cen- trale (indicateurs, enregistreurs, voyants d’état, voyants d’alarmes, écrans de su- pervision…) et la piloter. Ce niveau intègre un ensemble de cal- culateurs dits « de supervision », qui à partir des informations qu’ils reçoivent du niveau 1, réalisent un certain nombre de traitements, et présentent à l’opérateur sur les écrans de la salle de commande, des informations qui lui apportent une aide pour la conduite « en temps réel » de l’installation. Ces informations, que l’opérateur sélec- tionne, sont présentées sous diffé- rents formats : listes, courbes de suivi, images de conduite… A ce niveau, les temps de réponse ne relèvent plus du domaine « réflexe », mais s’inscrivent dans des durées com- patibles avec l’intervention humaine. Ils se mesurent en minutes, en intégrant la valeur ajoutée d’un opérateur ayant, grâce aux informations dont il dis- pose en salle de commande, la vision d’ensemble sur l’état de l’installation. L’opérateur est en capacité d’apprécier le contexte dans lequel se place la si- tuation à laquelle il doit faire face. est celui de l’aide à l’ex- ploitation, au sens large : conduite, maintenance, mais aussi archivage des données issues de l’unité de produc- tion. Il assure trois types de mission. Tout d’abord, l’archivage dans la durée des informations envoyées par les niveaux 1 et 2. Ensuite, la réalisation d’analyses complémentaires à partir de calculs spécifiques sur l’état et le com- portement en temps réel de certains gros composants ou équipements : analyses vibratoires de la turbine ou d’un alternateur par exemple, ana- lyses acoustiques... Enfin, le niveau 3 recouvre également des communica- tions vers l’extérieur par l’intermédiaire Figure 1 : Opérateur de conduite en salle de commande de l’unité de production n°1 à la centrale de Cattenom ©EDF – David Queyrel. 66 REE N°1/2017 LE GRAND CARÉNAGEDOSSIER 1 de liaisons sécurisées, pour assurer notamment la liaison avec les centres nationaux de crise ou l’exploitation des données archivées pour la réalisation d’analyses fines (évènements, transi- toires d’exploitation, analyse de com- portements de matériels, suivi de l’état des matériels). Le projet de modernisation du contrôle-commande Le projet de modernisation du contrôle-commande mené dans le cadre du « Grand Carénage » a débuté en 2010 en tenant compte des étapes de contrac- tualisation, d’’études et de tests. C’est l’aspect le plus technologique du « Grand Carénage ». A ce titre, des plates-formes interconnectées dédiées aux tests des nouveaux automates et du nouveau sys- tème de supervision ont été installées à Marseille dans les locaux d’EDF et près de Grenoble, chez nos fournisseurs. Toutefois, aussi représentative soit- elle, une plate-forme ne l’est jamais à 100 %, puisque toutes les parties de l’installation ne peuvent y être phy- siquement implantées (par exemple les commandes des grappes qui per- mettent de ralentir ou de stopper les réactions à l’intérieur du réacteur). Ces éléments sont dans ce cas simulés avec une connaissance précise de la repré- sentativité permettant à EDF de définir des essais complémentaires à réaliser in situ, en complément des essais stan- dards pour valider la solution technique. A titre d’exemple, pour la seule an- née 2015, ce projet a mobilisé 40 000 heures d’ingénierie de conception pour le service en charge du contrôle-com- mande et de l’informatique industrielle. La modernisation du contrôle-com- mande porte sur trois parties : - jeurs du contrôle-commande du cœur du réacteur (niveau 1) : protection du réacteur, protection neutronique et grappes de contrôle du réacteur ; de supervision (niveau 2 et 3), avec la mise en place d’un système en réseau, doté d’une nouvelle imagerie intuitive qui fédère l’ensemble des écrans en salle de commande ; - mande (niveau 2) : réaménagement de l’espace et rénovation des moyens vidéo et télécom, permettant de mo- derniser l’interface homme-machine en profitant pleinement des nouvelles fonctionnalités offertes par l’imagerie mise en place dans le cadre de la réno- vation du système de supervision. Les systèmes de contrôle- commande du réacteur La partie la plus importante du pro- jet de modernisation porte sur les sys- tèmes les proches du process, ceux qui assurent des fonctions de régulation et de protection du réacteur : RPR (protec- tion du réacteur), RPN (mesure de puis- sance neutronique) et RGL (commande des grappes et des groupes de compen- sation de puissance). Principalement constitués de calculateurs programmés, ils sont en mesure de procéder à un arrêt automatique du réacteur de façon quasi instantanée s’ils détectent un incident ou une anomalie, comme une dérive de paramètre par exemple. Pour des raisons de sécurité, le projet prévoit de les remplacer « calculateur par cal- culateur » à interfaces identiques, afin d’éviter des modifications d’architecture. Les systèmes rénovés réalisent, avec la même répartition des tâches, les fonc- tions assurées par les anciens ainsi que quelques nouvelles fonctions liées aux modifications introduites dans le cadre du réexamen de sûreté. Le système RPR Le système RPR (système de pro- tection du réacteur) a pour principales fonctions la détection de situations anormales, l’arrêt automatique du réac- teur et le déclenchement de systèmes de sauvegarde appropriés en cas de situation accidentelle. Il est constitué de deux voies redondantes, c’est à dire identiques et indépendantes, chacune d’elles suffisant à remplir l’ensemble des fonctions de sûreté dévolues au système de protection. Sur le plan de la sûreté, il est classé au niveau le plus élevé (1E). Sur le palier 1300 MWe, la partie numérique du système RPR, constituée de calculateurs regroupés dans quatre unités d’acquisition et de traitement de protection (UATP) redon- dantes, est complètement rénovée. Chaque calculateur des UATP est remplacé par un nouveau calculateur. Le dispositif de liaison utilisé pour la transmission des informations entre les quatre UATP est remplacé par de nouveaux réseaux. Ce même type de réseau est également introduit pour transmettre au système RPR les me- sures neutroniques effectuées par les chaînes de puissance du système RPN. Une nouvelle unité d’acquisition reçoit les mesures réalisées par les armoires d’instrumentation de la position des barres de contrôle du système RGL. Petit Lexique de sécurité Concernant les fonctions de sécurité des systèmes de contrôle-com- mande, les principales classes en matière de sûreté sont : REE N°1/2017 67 La modernisation du contrôle-commande, une opération minutieuse La partie non numérique (logique câblée) du système RPR n’est pas rénovée mais intègre des évolutions fonctionnelles liées au réexamen de sûreté associé à la 3e visite décennale. A cette fin, deux armoires de conception et de technologie identique à l’existant sont ajoutées dans chacune des deux voies. Les armoires qui réalisent l’interface entre le RPR et les systèmes non classés vers lesquels il émet des informations, sont remplacées par des armoires intégrant des unités spécialisées chargées de rendre la liaison unidirectionnelle (du plus classé vers le moins classé). Le système RPN Le système RPN (Réacteur protec- tion nucléaire) a pour fonction de sûreté principale la mesure du flux neutronique dans la cuve du réacteur. Il transmet au système RPR les mesures du flux neutronique ainsi que d’autres infor- mations techniques. Une autre partie de ce système, moins critique, remplit des fonctions d’alarme, procède à des calculs de puissance et transmet des informations vers la salle de commande et d’autres systèmes. L’architecture ini- tiale du système RPN, qui comprend trois chaînes d’instrumentation est conservée, de même que les détecteurs et la plupart des équipements de la salle de commande liés au système RPN. En revanche, la partie classée 1E du système RPN est totalement rénovée. De technologie analogique, les armoires sont remplacées par des armoires de technologie numérique. Une nouvelle armoire de contrôle, intégrant une interface homme-machine dédiée aux opérations de maintenance et de surveil- lance du RPN, est rajoutée. L’essentiel des interfaces sont conservées en l’état. Le système RGL Le système RGL (Système de com- mande des grappes longues) réalise la mesure de position et la commande des grappes de contrôle du réacteur. Les grappes sont des éléments mobiles qui portent des matériaux neutrophages sous forme de crayons, dont la position est ajustée dans le réacteur pour contrô- ler les réactions en chaîne. C’est un peu le système de « freinage » d’un réac- teur : plus on immerge profondément ces grappes, plus on freine la réaction en chaîne, et donc la production d’éner- gie. Toute la partie du système classée au niveau de sûreté 1E, c’est à dire pour l’essentiel les armoires d’instrumenta- tion servant à la mesure de position des grappes, reste inchangée, de même que les liaisons fil-à-fil entre ces armoires et le système RPR. En revanche, la partie qui n’est pas classée 1E fait l’objet d’une rénovation, qui prévoit une évolution des fonctions et de leur répartition sur différentes armoires. Certains traite- ments IPS-NC (Important pour la sûreté mais non-classé) ont par ailleurs été regroupés dans une nouvelle unité de surveillance. Des outils de conception innovants RPR, RPN ou RGL : sur tous les cal- culateurs répondant au niveau de sûreté 1E, le nouveau programme informatique implanté ou modifié (code source) a fait l’objet de vérifications à l’aide d’outils d’analyse formelle très sophistiqués et scientifiquement innovants. L’IRSN a estimé que ces techniques consti- tuaient une avancée technique notable en terme de vérification de code source et apportaient une garantie forte du très haut niveau de qualité des logiciels des systèmes RPR et RPN. Pour mener à bien ce projet, une plate-forme représentative du système de contrôle-commande a été déve- loppée, afin de procéder à des bat- teries de tests et d’essais, mais aussi de permettre aux acteurs du projet de s’entraîner au démontage-remon- tage et à la reconnexion, bref, de se former en dehors des contraintes de sûreté et d’exploitation d’une centrale. Comme indiqué précédemment, une plate-forme n’est jamais représentative à 100 %, puisqu’il manque certains éléments ou équipements, comme les commandes des grappes, des sys- tèmes qui permettent de ralentir voire de stopper les réactions à l’intérieur du réacteur. Il fallait donc connaître préci- sément les limites de la plate-forme, afin de vérifier in situ que tous les cas de figure étaient couverts. La rénovation du système informatique de supervision de conduite Ce système rassemble les principales informations du système de contrôle commande, les met en forme, les affiche en salle de commande, permettant ainsi aux opérateurs de surveiller l’installation et de prendre les décisions adaptées. La salle de commande dans son ensemble fournit une vue globale du fonctionne- ment d’une tranche. Mais les opérateurs ont aussi régulièrement besoin de pou- voir « zoomer » sur une partie de l’instal- lation, sur un circuit, un équipement, un process. C’est la vocation de ce système, qui permet donc de surveiller l’installation via des vues synoptiques de ses princi- pales composantes. Développé il y a plusieurs décennies, le système d’origine a été profondément rénové, afin de le rendre à la fois plus complet, plus convi- vial, et plus ergonomique, contribuant ainsi au confort d’utilisation, et à l’effica- cité du pilotage. Au total, 127 images ont été modifiées et modernisées, dont 55 sont des créations. Le nouveau dispositif comprend 11 écrans d’affichage en pan- neau et trois postes bi-écran installés sur la table de quart, contre respectivement 6 et 1 auparavant. Le système comporte également une fonction « journal de bord », qui permet de mémoriser les évé- nements ou séquences d’événements, afin de les analyser en “back office”. 68 REE N°1/2017 LE GRAND CARÉNAGEDOSSIER 1 La rénovation de la salle de commande La salle de commande fait l’objet d’une rénovation assez profonde, afin d’améliorer son ergonomie générale. Le nombre de postes de travail passe de deux à trois. Une partie du mobilier évolue, notamment le bureau des opé- rateurs et la table de briefing utilisée pour les changements de quarts. Le nombre et la disposition des écrans sont modifiés, afin d’améliorer la lisibilité des informations. Les enregistreurs papier (de 73 à 97 selon les centrales) sont remplacés par des enregistreurs numé- riques. L’un des axes d’amélioration consiste à regrouper les informations nécessaires sur un nombre d’écrans tac- tiles plus limité, afin d’éviter la disper- sion et de faciliter au contraire leur prise en compte. D’autres évolutions plus légères sont menées, comme la moder- nisation des moyens vidéo ou certaines modifications d’alarmes. Accroître la sérénité des opérateurs Ce travail d’optimisation de l’ergo- nomie physique et cognitive de la salle de commande a été mené au sein d’un groupe de travail regroupant des équipes de la R&D, le service de santé au travail, et des ergonomes de DCNS qui pos- sèdent une expertise dans les sous-ma- rins nucléaires où les contraintes globales sont très élevées en termes de confine- ment, d’encombrement et de quantité d’informations. L’un des principaux ob- jectifs de cette rénovation est d’accroître la sérénité des opérateurs, en leur pro- posant les bonnes informations, au bon moment, sous la forme la plus adaptée, afin de les aider dans leurs tâches de sur- veillance et de pilotage. L’ensemble des équipements de la salle de commande est bien sûr conçu pour résister à des événements exceptionnels du type tor- nades ou séismes, et arrimés afin d’évi- ter leur chute. Cette évolution technique s’est accompagnée d’une évolution des méthodes de conduite de l’installation. Chaque action est soumise à une expertise de sûreté. Le projet de mo- dernisation de la salle de commande a ainsi été suivi de près par l’Autorité de sûreté nucléaire, qui a notamment veillé à ce que ces évolutions évitent toute complexification ou surcharge mentale pour les opérateurs. D’ailleurs, afin de permettre aux équipes d’exploitation de se familiariser et de s’entraîner progres- sivement avec leurs nouveaux outils, le nouveau système de supervision est installé quatre à six mois avant la mise en œuvre des travaux de rénovation réalisés lors de l’arrêt programmé de l’unité de production. Une formation sur simulateur La modernisation des systèmes de contrôle-commande s’accompagne d’un important volet formation, destiné à former les personnels aux évolutions de l’installation et à les familiariser avec la nouvelle ergonomie de la salle de commande. Pour cela, un simulateur de conduite a été créé et mis en service au sein des centrales de Paluel et Cattenom avant les travaux : reproduisant intégra- lement l’environnement d’une salle de commande sur des dalles tactiles, il offre l’avantage d’être reconfigurable à volon- té et donc de s’adapter aux différentes configurations des unités de production du site dont la rénovation s’étend sur plu- sieurs années. Les opérateurs sont ainsi régulièrement formés et évalués. Figure 2 : Le nouveau dispositif de supervision de conduite comprend 11 écrans d’affichage et trois postes bi-écran ©EDF. REE N°1/2017 69 La modernisation du contrôle-commande, une opération minutieuse Une conception interactive Les nouveaux outils leur étant destinés, les équipes d’exploitation ont été large- ment associées au processus de concep- tion, en particulier celui du système de supervision. Au fil du développement, les concepteurs leur ont présenté les nou- veaux écrans, les nouvelles technologies, les nouveaux outils afin de s’assurer qu’ils répondaient bien à leurs besoins ou pre- naient en compte leurs contraintes. Cette implication était importante afin de favo- riser l’appropriation de ces outils par leurs futurs utilisateurs, mais aussi pour avoir leurs « retours ». L’aménagement d’une armoire de contrôle-commande a par exemple été revu en tenant compte de la remarque d’un exploitant identifiant que l’accès aux cartes électroniques était trop dif- ficile ce qui nécessiterait le démontage de plusieurs équipements de l’armoire en cas de dysfonctionnement. 15 000 points de câblage Concrètement, ce projet de moderni- sation du contrôle commande nécessite le tirage de plus de 20km de câbles, la dépose et l’évacuation de 42 armoires de contrôle-commande, aussitôt suivie de la repose de 50 nouvelles armoires renfermant chacune plusieurs dizaines de cartes électroniques. Pour don- ner une idée de l’ampleur de la tâche, l’opération suppose la reconnexion, l’un après l’autre et sans erreur, de 15 000 points de câblage. Une opération d’une telle ampleur n’avait jamais été menée sur le parc français, et sans doute au niveau mondial. La requalification des nouveaux systèmes a nécessité près de 200 procédures d’essais regroupant environ 800 essais. Lors des pics d’acti- vité, le projet mobilise jusqu’à 150 inter- venants en parallèle. Figure 3 : La modernisation du contrôle-commande a nécessité la dépose et l’évacuation de 42 armoires de contrôle-commande ©EDF – Christophe Guibbaud. LES AUTEURS Ingrid Féron est responsable du service en charge de la conception du contrôle-commande pour le parc nucléaire en exploitation d’EDF. Diplômée de l’INSA Lyon, elle rejoint le groupe EDF en 1995 à la cen- trale nucléaire de Gravelines. Après un premier poste de management, elle intègre un centre d’ingénierie du parc en tant que responsable de conception du système de conduite informatisé avant de devenir chef de groupe puis chef de service dans le service contrôle-commande. Laurent Everwyn est chef du projet « 3e visites décennales » des unités de production 1 300 MW du pro- gramme « Grand Carénage ». Il avait préalablement exercé diffé- rentes responsabilités au sein des unités d’ingénierie d’EDF sur des ac- tivités très variées allant du contrôle commande de l’îlot conventionnel à la rénovation des simulateurs de conduite pleine échelle, puis à la centrale de Gravelines en tant qu’in- génieur conception et chef du ser- vice modification.