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WO 2017/191039 1 PCT/EP2017/060153
CONTROLE EN TEMPS RÉEL DU CHAUFFAGE D'UNE PIECE PAR UN FOUR
SIDERURGIQUE OU UN FOUR DE TRAITEMENT THERMIQUE
Domaine Technique
[1] De manière générale, l'invention concerne le chauffage contrôlé d'une
pièce
par un four sidérurgique ou un four de traitement thermique, p.ex. un four de
réchauffage. Le contrôle est fait par une modélisation numérique, simultanée
et en
temps réel, du chauffage de la pièce.
Arrière-plan technologique
Io [2] Le brevet US 3,868,094 décrit un procédé de contrôle du
chauffage pour un
four métallurgique ayant une zone supérieure et une zone inférieure. Le
procédé
comprend la mesure, dans un seul endroit, de la température de surface d'une
pièce
qui passe à travers le four. Le signal de mesure est transmis simultanément
aux
contrôleurs des zones supérieure et inférieure. Les contrôleurs émettent des
signaux
aux brûleurs du four pour maintenir les températures de consigne supérieure et
inférieure souhaitées.
[3] Le procédé décrit souffre du fait qu'il faut mesurer la température
de la pièce
à l'intérieur du four. Comme l'explique le document US 3,868,094, la position
de la
sonde doit être judicieusement choisie pour qu'elle ne soit pas dans le chemin
des
pièces et pour qu'elle ne soit pas endommagée en cas d'empilement de pièces
dans
le four. Un autre inconvénient du procédé connu réside dans le fait que la
sonde ne
renseigne que la température de la surface inférieure de la pièce à chauffer.
La
température de la surface supérieure est supposée être déductible de la
température
de la surface inférieure par application d'une fonction simple. Cette
supposition est
toutefois simpliste, car les réglages des zones inférieure et supérieure
peuvent affecter
le rapport entre les deux températures de surface. Il y a aujourd'hui un
besoin dans
l'industrie de pallier ces inconvénients et de mettre à disposition un procédé
de
chauffage mieux adapté.
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Description générale de l'invention
[4]
Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un procédé de
chauffage contrôlé d'une pièce, par exemple d'un demi-produit sidérurgique,
comme
p.ex. une brame, un bloom, une billette, un lingot, un rond, une ébauche, ou
autre, par
un four sidérurgique ou un four de traitement thermique comprenant :
= l'obtention d'un plan de chauffage définissant une évolution désirée d'un
ou
plusieurs indicateurs de la température de la pièce au cours du chauffage dans
le four ;
= la mise à disposition de la pièce à chauffer au four ;
1.0 =
le suivi thermique par le biais d'une modélisation numérique
tridimensionnelle
du chauffage de la pièce, en temps réel et simultanée au chauffage de la
pièce,
la modélisation numérique reposant sur une discrétisation de l'espace en
voxels et utilisant des paramètres de chauffage actuels (c.-à-d. d'application
au moment de la modélisation) du four, un modèle tridimensionnel de la pièce
à chauffer, préférablement un modèle du four, et comprenant la prédiction d'un
ou plusieurs indicateurs de la température de la pièce pour le prochain
instant
de référence;
= la comparaison des un ou plusieurs indicateurs de la température de la
pièce
dudit plan de chauffage aux un ou plusieurs indicateurs de la température de
la pièce prédits par la modélisation numérique pour le prochain instant de
référence; et
= suite à chaque comparaison, l'adaptation, si nécessaire, des paramètres
de
chauffage du four en fonction du résultat de la comparaison afin de diminuer
un écart entre les un ou plusieurs indicateurs de la température de la pièce
du
plan de chauffage et les un ou plusieurs indicateurs de la température de la
pièce prédits par la modélisation numérique pour le prochain instant de
référence.
[5]
La pièce à chauffer peut, par exemple, avoir une forme de plaque, de brame,
d'une pièce carrée ou autre. La pièce à chauffer peut être en métal, en ce
compris
toutes les nuances d'acier, depuis les qualités les plus courantes jusqu'aux
aciers de
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haute résistance mécanique de pointe, y compris les aciers inoxydables et les
aciers
au silicium.
[6] Les paramètres de chauffage du four peuvent comprendre, entre autres,
la
puissance, la température et/ou des réglages des actuateurs, les réglages
contrôlant,
par exemple, le débit de combustible du four et/ou la vitesse de la pièce dans
le four.
[7] Les indicateurs de la température de la pièce sont reliés directement
ou
indirectement à la température de la pièce. Ils sont généralement
représentatifs de la
température de la pièce à chauffer. Des indicateurs de la température
directement
reliés à la température peuvent être, par exemple, la température moyenne de
la pièce,
un profil de température de la pièce, ou encore une cartographie
tridimensionnelle de
la température de la pièce. Des indicateurs de température indirectement
reliés à la
température comprennent, par exemple, la chaleur latente de la pièce,
l'entropie,
l'enthalpie, etc.
[8] L'obtention du plan de chauffage peut se faire par une simulation
numérique
prenant en compte la valeur des un ou plusieurs indicateurs de la température
de la
pièce à l'entrée du four, la valeur désirée des un ou plusieurs indicateurs de
la
température de la pièce à la sortie du four, un modèle tridimensionnel pour la
pièce à
chauffer, optionnellement un modèle du four. La simulation numérique détermine
alors
le plan de chauffage comprenant l'évolution des un ou plusieurs indicateurs de
la
température de la pièce au cours du chauffage et optionnellement les
paramètres de
chauffage du four nécessaires à la réalisation de cette évolution.
[9] L'obtention du plan de chauffage peut se faire autrement, par exemple,
le plan
de chauffage par la lecture de un ou plusieurs fichiers de données comprenant
l'évolution des un ou plusieurs indicateurs de la température de la pièce lors
de son
chauffage ainsi que les paramètres de chauffage du four nécessaires pour la
réalisation de cette évolution. Il sera apprécié que le plan de chauffage n'a
pas besoin
d'être établi à l'endroit du four sidérurgique ou du four de traitement
thermique, mais
peut être élaboré ailleurs (p.ex. dans un centre de calcul).
[10] Optionnellement, le plan de chauffage définit une évolution des un ou
plusieurs
indicateurs de la température et des paramètres de chauffage du four qui
minimisent
la consommation d'énergie.
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[11] Préférablement, les un ou plusieurs indicateurs de la température
définis dans
le plan de chauffage sont des valeurs de consigne pour les un ou plusieurs
indicateurs
de la température ajustés au cours du chauffage dans le four. Autrement dit,
une
boucle de réglage agira sur les paramètres du four de sorte à ce que les
valeurs pour
les un ou plusieurs indicateurs de la température actuels correspondent aux
valeurs
de consigne pour les un ou plusieurs indicateurs de la température.
[12] La modélisation numérique qui se fait simultanément au chauffage de la
pièce
opère en temps réel , ce qui signifie que la modélisation numérique est
conçue de
sorte à fournir les informations sur les un ou plusieurs indicateurs de la
température
dans le respect de contraintes strictes de temps. En particulier, la
conception de la
modélisation numérique est faite de sorte à ce que les valeurs prédites des un
ou
plusieurs indicateurs de la température soient mises à jour plusieurs fois
avant le
prochain instant de référence, de façon pouvoir adapter les paramètres de
chauffage
du four. En d'autres mots, le temps pour obtenir les un ou plusieurs
indicateurs de la
température par la modélisation numérique est bien inférieur au temps entre
deux
instants de référence. Dans le contexte du présent document, le terme
instant de
référence désigne un instant pendant le procédé du chauffage (début et fin
inclus)
auquel il est souhaité avoir une concordance entre les un ou plusieurs
indicateurs
selon le plan de chauffage et les un ou plusieurs indicateurs prédits par la
modélisation.
Les instants de référence peuvent comprendre, notamment, la fin du chauffage,
des
instants auxquels la pièce à chauffer transite d'une zone du four dans un
autre, ou
d'autres instants. Les instants de référence peuvent être choisis en fonction
du
matériel existant, p.ex. en fonction des automates de régulation de bas
niveau.
[13] La modélisation numérique tridimensionnelle nécessite une
discrétisation de
l'espace. Les pixels tridimensionnels résultant sont appelés des voxels
. Les
voxels sont préférablement de volume inférieur à 1 cm3.
[14] La modélisation numérique est, préférablement, conçue de sorte à
pouvoir
être réalisée sur un ou plusieurs processeurs graphiques comprenant, chacun,
au
moins 1024 noyaux de calculs, préférablement, au moins 2048 noyaux de calculs,
encore plus préférablement au moins 4096 noyaux de calculs.
[15] L'écart entre les un ou plusieurs indicateurs de la température du
plan de
chauffage et un ou plusieurs indicateurs actuels de la température de la pièce
est
calculé dans l'espace des paramètres, formé par les un ou plusieurs
indicateurs de la
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température de la pièce, selon une métrique. Cette dernière peut être définie
de telle
façon à affecter un poids à chaque indicateur de la température lors du calcul
de l'écart.
Par exemple, la température moyenne de la pièce peut avoir un poids deux fois
plus
important que celui associé à son profil de température lors du calcul de
l'écart.
[16] Une fois l'écart calculé, la nécessité de l'adaptation peut être
déterminée en
fonction d'un seuil de tolérance. Si l'écart est inférieur au seuil de
tolérance, aucune
adaptation n'est faite. Si l'écart est supérieur au seuil de tolérance,
l'adaptation des
paramètres de chauffage du four est faite afin de réduire cet écart aux
instants de
référence ultérieurs.
[17] Plusieurs pièces à chauffer peuvent être présentes dans le four en
même
temps. Chacune de ces pièces peut posséder un plan de chauffage.
Optionnellement,
afin que le plan de chauffage de chaque pièce soit le plus réaliste possible,
le plan de
chauffage de la pièce considérée tient compte des une ou plusieurs autres
pièces
également présentes dans le four durant le chauffage de la pièce.
[18] Malgré cela, il est probable qu'il soit impossible de satisfaire
simultanément
chaque plan de chauffage des pièces présentes dans le four. Selon le type de
pièce à
chauffer, le respect du plan de chauffage est plus ou moins critique. En
conséquence,
le procédé comprend préférablement l'affectation d'une priorité aux pièces,
qui en cas
d'incompatibilités de plans de chauffage définit quel plan de chauffage est
prioritaire
par rapport aux autres.
[19] Cette priorité peut être attribuée à chaque pièce à chauffer soit
par un
utilisateur, soit automatiquement. Un de ces critères pourrait être, par
exemple, la
composition chimique d'une pièce dont il est connu que la température ne peut
pas
dépasser une certaine valeur ou la masse d'une pièce.
[20] L'adaptation des paramètres de chauffage se fait, le cas échéant dans
le
respect de la priorité affectée à chacune des pièces. Dans le cas où les
pièces peuvent
être prioritaires ou non-prioritaires , la pièce prioritaire verra son
plan de
chauffage respecté alors que le plan de chauffage des pièces non prioritaires
ne sera
pas forcément respecté. L'adaptation des paramètres de chauffage du four pour
les
pièces non prioritaires est faite de façon à ne pas faire dévier le chauffage
de chaque
pièce prioritaire de son plan de chauffage.
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[21] Optionnellement, un système de priorité à plusieurs niveaux de
priorité (plus
que deux) peut être implémenté. L'adaptation des paramètres de chauffage du
four se
fera alors en cascade à partir des pièces les plus prioritaires vers les
pièces les moins
prioritaires. L'adaptation des paramètres de chauffage du four pour pièces
moins
prioritaires veillera à ne pas faire dévier le chauffage de chaque pièce plus
prioritaire
de son plan de chauffage.
[22] Dans un mode de réalisation préféré, le four sidérurgique ou le four
de
traitement thermique est un four continu, p.ex. un four à glissière, à
longeron tubulaire,
à sole mobile, à sole tournante, etc. Le four est, de préférence, subdivisé en
plusieurs
1.0 zones de contrôle, les instants de référence étant, par exemple, les
instants auxquels
la pièce passe d'une zone à l'autre.
[23] Un second aspect de la présente invention se rapporte à un logiciel
pour
contrôler le chauffage d'une pièce par un four sidérurgique ou un four de
traitement
thermique. Un tel logiciel comprend des instructions, stockées sur un support
informatique, qui, lorsqu'elles sont exécutées par un matériel informatique,
font en
sorte que le matériel informatique mette en oeuvre le procédé comprenant :
= l'obtention d'un plan de chauffage définissant une évolution désirée d'un
ou
plusieurs indicateurs de la température de ladite pièce au cours du chauffage
dans le four ;
= la modélisation numérique tridimensionnelle du chauffage de la pièce, en
temps réel et simultanée au chauffage de la pièce, la modélisation numérique
reposant sur une discrétisation de l'espace en voxels et utilisant des
paramètres de chauffage actuels du four et un modèle tridimensionnel de la
pièce à chauffer et comprenant la prédiction d'un ou plusieurs indicateurs de
la température de la pièce pour le prochain instant de référence ;
= la comparaison des un ou plusieurs indicateurs de la température de la
pièce
du plan de chauffage aux un ou plusieurs indicateurs de la température de la
pièce prédits par la modélisation numérique pour le prochain instant de
référence ;
= suite à chaque comparaison, l'adaptation, si nécessaire, des paramètres
de
chauffage du four en fonction du résultat de la comparaison afin de diminuer
un écart entre les un ou plusieurs indicateurs de la température de la pièce
du
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plan de chauffage et les un ou plusieurs indicateurs de la température de la
pièce prédits par la modélisation numérique pour le prochain instant de
référence ; et
= la communication des nouveaux paramètres de chauffage à un centre de
contrôle du four.
[24] Le logiciel est préférablement conçu pour être exécuté en parallèle
sur un
matériel informatique comprenant plusieurs noyaux de calculs. Le matériel
informatique peut être composé de un ou plusieurs processeurs comprenant
préférablement, chacun, au moins 1024 noyaux de calculs, plus préférablement,
au
1.0 moins 2048 noyaux de calculs, encore plus préférablement au moins 4096
noyaux de
calculs. Le matériel informatique comprend préférablement un ou plusieurs
processeurs graphiques.
[25] Le logiciel peut comprendre, en plus, des instructions, qui,
lorsqu'elles sont
exécutées par un matériel informatique, font en sorte que le matériel
informatique
mette en oeuvre la détermination du type de maillage à utiliser (par exemple
un
maillage carré, triangulaire ou hexagonal) en fonction de la géométrie de la
pièce à
chauffer. De plus, le logiciel peut être conçu de sorte à déterminer le volume
de voxels
utilisés par la modélisation numérique du chauffage de la pièce afin qu'une
erreur
relative de chaque indicateur de température de ladite simulation numérique
soit
inférieure à 5%, préférablement inférieure à 1`)/0, plus préférablement
inférieure à 0.5%.
[26] L'erreur relative pour un certain type de maillage m et un certain
volume V de
voxels d'un indicateur de température fv;m(i2) peut être calculée par
comparaison avec
une modélisation numérique du même indicateur de température f ;m(i) pour un
maillage de même type m le plus fin possible (V' tend vers 0) :
, f Vif ;77, ,
(170 - f v, .m(i)12 w di>
ERf (17 ; V') =
f ;mV)I2 w di>
où l'intégration se fait sur tout le domaine de la simulation numérique et
w(i2) est un
facteur de pondération dépendant de la position.
[27] On peut considérer deux cas spécifiques plus en détail. Le premier
correspond
à l'erreur globale relative (EGR) où le facteur de pondération est constant
sur tout le
domaine de la modélisation numérique. Le second correspond à l'erreur locale
relative
(ELR) où le facteur de pondération est plus élevé dans les zones où le
contrôle de
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l'erreur est considéré comme important et moins élevé (voire nul) dans les
autres
zones.
[28] Un troisième aspect de la présente invention se rapporte à un four
sidérurgique
ou un four de traitement thermique pour le chauffage d'une pièce comprenant
= un ou plusieurs détecteurs pour mesurer les paramètres de chauffage
actuels
du four ;
= un matériel informatique avec un logiciel tel que décrit précédemment et
configuré pour réaliser le procédé tel que décrit précédemment.
[29] Préférablement, les un ou plusieurs détecteurs pour mesurer les
paramètres
de chauffage actuels comprennent un ou plusieurs pyromètres, un ou plusieurs
détecteurs de débit de combustible injecté dans ledit four, un ou plusieurs
détecteurs
de pouvoir calorifique inférieur et d'indice de Wobbe du combustible injecté
dans le
four ou une combinaison de ces derniers.
Brève description des dessins
[30] D'autres particularités et caractéristiques de l'invention
ressortiront de la
description détaillée du mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à
titre
d'illustration, avec référence aux dessins annexés qui montrent :
Fig. 1: représente les différents niveaux d'abstraction pour le contrôle du
chauffage
d'une pièce dans un four de traitement thermique ou un four sidérurgique ;
Fig. 2: est un schéma simplifié représentant un four de traitement thermique
continu
pour un chauffage contrôlé d'une pièce ;
Fig. 3: est un organigramme montrant les étapes réalisées selon l'invention
pour
chauffer une pièce dans un four de traitement thermique ;
Fig. 4: est un schéma simplifié représentant un four de traitement thermique
pour un
chauffage contrôlé de plusieurs pièces ;
Fig. 5: est un graphique représentant l'évolution de la température d'une
pièce au
cours du chauffage en comparaison avec le plan de chauffage.
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Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention
[31] La Fig. 1 est un organigramme d'un procédé de commande d'un four de
traitement thermique ou d'un four sidérurgique selon un mode de réalisation de
l'invention. Le procédé comprend différents niveaux organisés de manière
hiérarchique. Dans l'exemple illustré, cette hiérarchie est composée de quatre
niveaux,
numérotés de 0 à 3, qui sont décrits dans la suite. Dans une mise en oeuvre
pratique
du procédé illustré, utilisant p.ex. un ou plusieurs programmes d'ordinateur,
les
différents niveaux peuvent représenter des couches d'abstraction. Dans un tel
cas, on
définit, p.ex. par le biais d'une interface de programmation, pour chaque
couche
1.0 d'abstraction les types d'entrées et de sorties qu'elle peut recevoir,
respectivement
émettre.
[32] Au niveau 3, le procédé accepte des commandes 14 de clients, qui
fixent, p.ex.
le type de la pièce, la qualité finale, les dimensions, la date ultime de
livraison, etc. En
fonction des commandes sont alors définies (de manière automatique et/ou
manuelle)
les valeurs de consigne en rapport avec les pièces à chauffer. Ces valeurs de
consigne
peuvent comprendre, en particulier, l'objectif de température moyenne finale
et
l'objectif d'uniformité de température. D'autres particularités concernant le
chauffage
des pièces peuvent également être définies, comme p.ex. une température
maximale
à ne pas dépasser, un taux de chauffage à respecter, etc.
[33] Les valeurs de consigne en rapport avec les pièces à chauffer sont
transmises
au niveau 2 du procédé. A ce niveau sont générées les valeurs de consigne 18
(de
haut niveau) pour le four, qui comprennent, p.ex. les objectifs de puissance
(globale
et/ou par zone du four) et/ou des objectifs de débit de combustible destiné
aux
différents brûleurs, les objectifs de température du four (des parois, des gaz
d'échappement, etc.), ainsi que les objectifs de vitesse de transit des pièces
dans le
four ou dans ses différentes zones.
[34] Au niveau 1, le four est piloté de sorte à atteindre et à
respecter les valeurs de
consigne 18 de haut niveau reçues du niveau 2. Les valeurs de consigne 18 sont
comparées à des valeurs actuelles, indicatives de l'état opérationnel du four,
mesurées
par des capteurs 22 et/ou estimées. Les capteurs 22 peuvent comprendre, par
exemple, des capteurs de température des parois du four, des capteurs mesurant
la
température des gaz d'échappement, des capteurs de débit de combustible, etc.
A ce
niveau, le procédé réalise donc une boucle de réglage qui génère des valeurs
de
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consigne 20 (de bas niveau) pour des actionneurs 23 du four sur base des
valeurs de
consigne 18 de haut niveau et de l'état opérationnel actuel. Les actionneurs
commandés par le niveau 1 comprennent, p.ex. des actionneurs de vannes
automatiques contrôlant le débit de combustible et/ou des moteurs contrôlant
l'avancement des pièces à chauffer.
[35] Le niveau 0 a l'accès direct aux ressources matérielles du four et
comprend,
p.ex. les pilotes du matériel employé, notamment celui des actionneurs. Au
niveau 0 a
lieu, notamment, la traduction des valeurs de consigne 20 de bas niveau en des
signaux électriques contrôlant les actionneurs 23 du four. Le niveau 0 peut
comprendre
des boucles de réglage afin de garantir que les actionneurs 23 réagissent
comme
prévu aux commandes du niveau 1. De telles boucles de réglage peuvent
comprendre
des capteurs 24, p.ex. des capteurs intégrés dans les actionneurs 23.
[36] Fonctionnellement, chaque niveau de commande du four peut être conçu
comme une boucle de réglage qui adapte les paramètres contrôlés par le niveau
concerné de sorte à établir ou à maintenir la conformité avec les valeurs de
consignes
provenant du niveau supérieur. Si l'état actuel du niveau concerné n'est pas
en accord
avec les valeurs de consignes imposées par le niveau supérieur, une adaptation
des
valeurs de consignes pour le niveau inférieur est effectuée afin d'établir ou
de rétablir
la conformité.
[37] La hiérarchie de différents niveaux d'abstraction permet à un
opérateur du four
de le programmer en définissant des valeurs de consigne 16 en rapport avec la
pièce
à chauffer et/ou des valeurs de consigne 18 de haut niveau en rapport avec
le four
sans devoir programmer directement les valeurs de consigne de bas niveau .
[38] Le procédé de chauffage selon l'invention utilise un plan de
chauffage pour
programmer le four. Dans le modèle hiérarchique détaillé ci-dessus,
l'établissement
du plan de chauffage appartient au niveau 2. En effet, le plan de chauffage
est établi
pour une pièce à chauffer afin d'atteindre les objectifs la concernant (p.ex.
température
moyenne à la sortie du four, uniformité de la distribution de température sur
l'ensemble
de la pièce.) Le plan de chauffage est établi par une simulation numérique du
chauffage de la pièce par le four. La simulation utilise un modèle de la pièce
ainsi que,
optionnellement, un modèle du four qui imite le comportement du four. Les
types de
réglages que le modèle du four peut subir sont identiques à ceux que le
procédé de
niveau 2 peut effectuer sur le four réel. La simulation visant à obtenir le
plan de
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chauffage est exécutée dans le cadre d'un procédé d'optimisation d'une
fonction de
coût (reflétant p.ex. la consommation énergétique, le temps de chauffage ou
autre).
Dans le cadre de ce procédé d'optimisation, les réglages du modèle du four
dans la
simulation sont ajustés jusqu'à ce qu'un réglage satisfaisant soit trouvé. Le
plan de
chauffage finalement obtenu contient une courbe de chauffage dite optimale
de la
pièce (c.-à-d. des données indiquant l'évolution de la température de la pièce
en
fonction du progrès du chauffage) ainsi que les réglages correspondants du
four. On
notera que ces réglages ne seront pas nécessairement statiques mais que le
plan de
chauffage peut déterminer une évolution des réglages en fonction du progrès du
1.0 chauffage.
[39] Le plan de chauffage définit une programmation initiale du four. Selon
l'invention, il est prévu de surveiller le respect du plan de chauffage par le
biais d'un
suivi thermique réalisé à l'aide d'une modélisation numérique
tridimensionnelle 28 du
chauffage de la pièce, en temps réel et simultanée au chauffage de la pièce.
Le suivi
thermique s'appuie, entre autre, sur des paramètres opérationnels (paramètres
de
chauffage actuels) du four qui sont injectés dans la modélisation numérique
qui
comprend un modèle tridimensionnel de la pièce à chauffer ainsi que,
optionnellement,
un modèle du four. Si l'état thermique de la pièce à chauffer, prédit par la
modélisation
numérique, diffère de l'état prévu par le plan de chauffage pour le prochain
instant de
référence, une adaptation des réglages du four est effectuée. Cette adaptation
est
choisie de sorte à rétablir à un instant de référence ultérieur (de préférence
au prochain
instant de référence) la conformité entre l'état thermique réel de la pièce et
l'état
thermique prescrit par le plan de chauffage. On note que ce procédé
d'adaptation des
réglages du four représente une boucle de réglage au niveau 2 de la hiérarchie
susmentionnée, dans laquelle les indicateurs de température de la pièce aux
instants
de référence prévus par le plan de chauffage sont des valeurs de consigne. Les
paramètres activement réglés par cette boucle comprennent avantageusement les
débits de combustible destinés aux différents brûleurs. Si ces paramètres ne
sont pas
directement accessibles par le niveau 2, ils peuvent être réglés de manière
indirecte
via des objectifs de puissance et/ou de température imposés au niveau 1.
[40] La Fig. 2 montre un four de traitement thermique 12 de type continu
utilisé
pour le chauffage d'une pièce 10 (p.ex. un demi-produit sidérurgique). Le four
12
comprend une glissière 26 pour porter la pièce 10 à chauffer. Le four 12
comprend
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plusieurs capteurs 22, 24 pour mesurer les paramètres de chauffage actuels du
four
12. Ces capteurs 22, 24 comprennent, par exemple, un ou plusieurs pyromètres
pour
mesurer la température des parois du four 12, un ou plusieurs détecteurs de
débit de
combustible pour mesurer le flux de combustible injecté dans les brûleurs, un
ou
plusieurs détecteurs pour mesurer le pouvoir calorifique inférieur et/ou
l'indice de
Wobbe du combustible, etc. Les paramètres de chauffage actuels du four 12
comprennent grandeurs directement mesurées par les capteurs 22, 24 (p.ex. la
température actuelle des parois du four 12 ou les débits actuels de
combustible) et/ou
des grandeurs déduites des mesures (p.ex. la puissance actuelle du four 12).
[41] Le procédé de chauffage d'une pièce par un four à plusieurs zones est
représenté sous forme d'ordinogramme à la Fig. 3.
[42] Préalablement au chauffage proprement dit de la pièce, un plan de
chauffage
est établi (étape S10) par simulation numérique sur base d'un modèle
tridimensionnel
de la pièce et, optionnellement, d'un modèle du four. Comme indiqué plus haut
dans
le texte, le plan de chauffage définit des valeurs de consigne pour la pièce
(des
indications de température de la pièce aux instants de référence), qui
permettent
d'arriver, en fin de chauffage, à la température moyenne finale désirée de la
pièce et
à l'uniformité de la température finale désirée. Le plan de chauffage contient
en outre
les réglages du four, qui, d'après la simulation résultent dans la courbe de
chauffage
optimale de la pièce.
[43] Le plan de chauffage est communiqué au four (étape S12). Les réglages
prévus par le plan de chauffage sont utilisés pour programmer (étape S14) le
four pour
le chauffage de la pièce.
[44] La pièce placée sur une glissière, est ensuite enfournée (étape S16)
et
commence à être chauffée dans la première zone (1=1, étape S18).
[45] Au fur et à mesure que la pièce progresse dans le four, le suivi
thermique de
la pièce, en temps réel et simultané au chauffage de la pièce, est réalisé A
partir des
paramètres actuels de chauffage du four mesurés par les capteurs du four
(étape S20),
du plan de chauffage, d'un modèle de la pièce et, optionnellement, d'un modèle
du
four, on modélise le chauffage de la pièce dans la zone jeton prédit l'état de
chauffage
de la pièce en fin de zone i (étape S22).
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[46] La conformité du chauffage de la pièce au plan de chauffage est
vérifiée à la
prochaine étape (étape S24): si le chauffage de la pièce prédit par la
modélisation
numérique pour la fin de zone i est conforme au plan de chauffage, aucune
modification des réglages du four par rapport à ceux prévus par le plan de
chauffage
n'est nécessaire. Dans le cas contraire, une adaptation des réglages, destinée
à
rétablir au prochain instant de référence (c.-à-d. à la fin de la zone i) la
conformité entre
l'état thermique réel de la pièce et l'état thermique prescrit par le plan de
chauffage,
est élaborée (étape S26) et appliquée (étape S28). Il sera apprécié que, les
étapes
S20, S22, S24, S26, S28 peuvent être répétées plusieurs fois sur une même zone
i
tant que la fin de la zone i n'est pas atteinte (étape S31). Dans un exemple
pratique,
une vérification de la conformité du chauffage de la pièce au plan de
chauffage pourrait
être effectuée environ toutes les 10 à 60 s (p.ex. toutes les 30 s), mais on
comprendra
que cette fréquence dépend de plusieurs facteurs, notamment de la complexité
de la
modélisation et de la puissance de calcul mise à disposition.
[47] Si la pièce n'a pas atteint la fin de la dernière zone du four
(vérifié à l'étape
S32), la pièce passe ensuite dans la zone suivante du four (dans
l'ordinogramme, ceci
se traduit par l'incrémentation de l'indice i à l'étape S30). Tant que la
pièce n'a pas
atteint la fin de la dernière zone du four (vérifié à l'étape S32), le procédé
décrit ci-
dessus est répété pour la nouvelle zone. L'arrivée de la pièce à la fin de la
dernière
zone termine le chauffage de la pièce (étape S34).
[48] En pratique, la conformité du déroulement du chauffage au plan de
chauffage
est vérifiée grâce à la détermination d'une grandeur caractérisant l'écart
entre le jeu
de valeurs théoriques (du plan de chauffage) et du jeu de grandeurs réelles
(estimées
par la modélisation parallèle au chauffage) en rapport avec l'instant de
référence.
.. L'écart peut être comparé à un seuil de tolérance afin de déterminer si une
correction
des réglages est indiquée.
[49] Selon un mode de réalisation du plan de chauffage, l'évolution de la
température de la pièce est donnée par la température moyenne de la pièce aux
différents instants de référence. La Fig. 5 représente la température moyenne
38 de
la pièce au cours du chauffage (ligne continue), prédite sur base de la
modélisation
numérique et la température moyenne 36 de la pièce au cours du chauffage
(ligne
discontinue) donnée par le plan de chauffage. Dans le cas illustré, on
constate qu'un
écart significatif entre la valeur cible et la valeur réelle de la température
moyenne se
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creuse lors du passage de la pièce dans la seconde zone. Une correction 40 des
réglages du four, dans le but de remettre le chauffage de la pièce en
conformité avec
le plan de chauffage pour le prochain instant de référence (étapes S20, S22,
S24, S26,
S28, voir Fig. 3), est effectuée. Dans l'exemple illustré, aucune autre
déviation entre
le plan de chauffage et le chauffage réel de la pièce n'est constatée.
[50] La modélisation numérique tridimensionnelle réalise un suivi
thermique de la
pièce en résolvant les équations physiques relatives, entre autre, aux
transferts de
chaleur (comprenant, entre autre, les transferts de chaleur par conduction et
optionnellement par rayonnement). La modélisation numérique est réalisée en
temps
réel, ce qui signifie qu'elle est conçue de sorte à fournir la température
actuelle de la
pièce dans le respect de contraintes strictes de temps. En particulier, la
conception de
la modélisation numérique est faite de sorte à garantir (en fonction des
puissances de
calcul mises en oeuvre) que les indicateurs de température prédits par la
modélisation
soient mis à jour suffisamment fréquemment avant les instants de référence
afin de
pouvoir corriger les paramètres de chauffage du four pour rétablir la
conformité de
l'état thermique de la pièce au plan de chauffage pour le prochain instant de
référence.
De plus, la modélisation numérique est programmée de telle façon à pouvoir
être
exécutée en parallèle sur un ou plusieurs processeurs graphiques, chacun
d'entre eux
étant doté d'une multitude de noyaux de calculs.
[51] La modélisation numérique du chauffage de la pièce par le four sur le
matériel
informatique requiert une discrétisation de l'espace (tridimensionnel). Cette
discrétisation introduit inévitablement des imprécisions numériques. Les
voxels
associés à la discrétisation peuvent être de forme cubique (ou d'une autre
forme). Plus
le volume des voxels est grand, plus l'erreur numérique introduite par la
discrétisation
de l'espace est susceptible d'être importante. En cas de maillage mal adapté,
l'estimée
de la température moyenne de la pièce obtenue par modélisation numérique ne
sera
pas représentative de la valeur réelle. En conséquence, la modélisation
numérique est
réalisée avec un maillage en adéquation avec les besoins. Le maillage peut
être défini,
p.ex. par le choix de voxels ayant des formes définies (p.ex.
parallélépipédiques) et
des volumes suffisamment petits. , préférablement, de volume inférieur à 1
cm3.
[52] La Fig. 4 illustre le chauffage simultané de plusieurs pièces 10a-
10c dans le
four 12. Ces pièces 10a-10c peuvent avoir, a priori, différentes formes et
différentes
compositions chimiques. Selon un mode de réalisation de l'invention, un plan
de
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chauffage est établi pour chaque pièce. Lors de l'établissement de ces plans
de
chauffage il est de préférence tenu compte de la présence des autres pièces à
chauffer
dans le four aux différents instants.
[53] Lorsque plusieurs pièces à chauffer 10a-10c, possédant chacune son
plan de
chauffage, sont présentes en même temps dans le four 12, la conformité du
chauffage
de chaque pièce à leur plan de chauffage respectifs n'est parfois pas
possible. La
conformité du chauffage au plan de chauffage peut, pourtant, être critique
pour
certains types de pièces. Dès lors, une priorité peut être attribuée à chaque
pièce à
chauffer.
[54] Une pièce prioritaire par rapport aux autres pièces verra son plan de
chauffage
respecté alors que le plan de chauffage des pièces moins prioritaires ne sera
pas
forcément respecté tant que la pièce prioritaire est présente dans le four.
Ceci est dû
au fait que le réglage de niveau 2 adapte les réglages du four pour faire
respecter le
plan de chauffage ayant actuellement la priorité.
[55] Alors que des modes de réalisation particuliers viennent d'être
décrits en
détail, l'homme du métier appréciera que diverses modifications et
alternatives à ceux-
là puissent être développées à la lumière de l'enseignement global apporté par
la
présente divulgation de l'invention. Par conséquent, les agencements et/ou
procédés
spécifiques décrits ci-dedans sont censés être donnés uniquement à titre
d'illustration,
sans intention de limiter la portée de l'invention.
