Système de contrôle-commande du champ solaire de Pegase - Janvier 2009/ Mars 2010

Introduction
Avec l'appui de ses partenaires (APC-CNRS, EDF, TOTAL, ADEME, Région Languedoc-Roussillon, AGC Glass, Saint-Gobain Glass), le laboratoire PROMES a remis en service 107 héliostats du champ de Thémis pour l'expérience PEGASE. Un système de contrôle-commande des héliostats entièrement nouveau a été conçu, fabriqué, installé et mis en service. La mise au point du prototype d'armoire de contrôle-commande s'est achevée en janvier 2009. Depuis cette date, le champ a progressivement été équipé avec les nouvelles armoires. Simultanément, le logiciel de pilotage des héliostats a été testé afin d'identifier les dysfonctionnements et proposer des améliorations pour accroître sa fiabilité.

Le champ solaire de PEGASE à Thémis est désormais constitué de 107 héliostats. Il offre une surface totale de miroirs de 5778 m2. La puissance solaire collectée sous ensoleillement standard de 1 kW/m2 est proche de 5,8 MW. La puissance disponible en haut de tour varie selon la position du soleil (heure et saison). Elle est en moyenne de 4,2 MW.
 
Matériel
L'ensemble des armoires qui équipent aujourd'hui les 107 héliostats du champ de PEGASE à Thémis a été fabriqué par la société Cofidur. La livraison a débuté en mai 2009. Les armoires ont été installées sur le site de Thémis par PROMES. Cette phase d'installation s'est achevée en janvier 2010. Les opérations préalables de chargement du programme embarqué dans la carte PC et de vérification fonctionnelle de chaque armoire ont été effectuées sur un banc installé dans le bâtiment CAT (voir Fig.1). Ce contrôle a permis d'écarter quelques cartes électroniques défectueuses, qui ont été réparées sur place (problème de câblage) ou bien renvoyées au fabricant (cartes moteurs, unités CPU).
Fig.1 : Banc d'essai des armoires de contrôle-commande. Une tête d'héliostat (à droite) est installée dans le bâtiment CAT à Thémis.
Fig.1 : Banc d'essai des armoires de contrôle-commande. Une tête d'héliostat (à droite) est installée dans le bâtiment CAT à Thémis.
 
Les opérations de réglage des vitesses des cartes moteurs, de contrôle des missions de remise à zéro des compteurs et de vérification de la communication par radio ont été effectuées pour chaque armoire au moment de son installation sur l'héliostat. Cette opération a également permis de contrôler au niveau de chaque héliostat les moteurs et l'ensemble des capteurs, et de détecter les éventuels points durs encore présents dans le mouvement. Les opérations de maintenance des héliostats ont donc été démarrées dès la mise en service des armoires, elles sont poursuivies depuis ce moment. Nous avons remplacé environ 15 codeurs optiques et une dizaine de capteurs magnétiques. Nous avons réparé environ 20 cartes chargeurs et remplacé quelques batteries.
 
Logiciel
Le logiciel de pilotage des héliostats est composé de deux couches :
  • un programme superviseur central (unique) coordonne les missions confiées à chacun des héliostats,
  • un programme embarqué dans chaque héliostat (répliqué à 107 exemplaires) assure le déroulement de la mission individuelle confiée à l'héliostat.
Un protocole de communication par voie hertzienne permet aux deux niveaux logiciels de dialoguer afin de garantir l'exécution correcte des commandes. Le principe est de transmettre les ordres envoyés par le superviseur à chaque héliostat (mission à exécuter, position cible envoyée) et les retours d'état de chaque héliostat vers le superviseur (mission en cours, position en cours, position cible calculée localement). Ce dialogue se déroule de manière séquentielle et cyclique : les héliostats sont adressés successivement et à tour de rôle, en fin de liste on reprend la liste au début. Pour 107 héliostats, un cycle dure environ 45 secondes. Les situations incidentelles de rupture de communication sont prises en charge au niveau local en tenant compte du niveau de risque observé : poursuite de la mission en cours, ou bascule prioritaire sur une mission ne présentant aucun danger pour l'héliostat ou pour la zone foyer. L'opérateur dirige les manoeuvres du champ depuis le poste central via l'exécution du logiciel superviseur, avec lequel il dialogue par l'intermédiaire d'une interface graphique multi-fenêtres (Fig.2).
 
Fig.2 : Ecran de contrôle du superviseur. Interface graphique :
fenêtre de visualisation du champ et de l'état des héliostats (à droite), fenêtre de définition des missions (à gauche), fenêtre de déroulement de l'exécution(en fond au centre),
fenêtre de commande de l'interface (en fond à gauche).
Fig.2 : Ecran de contrôle du superviseur. Interface graphique : fenêtre de visualisation du champ et de l'état des héliostats (à droite), fenêtre de définition des missions (à gauche), fenêtre de déroulement de l'exécution(en fond au centre), fenêtre de commande de l'interface (en fond à gauche).
 
Les essais effectués depuis janvier 2009 avec un nombre croissant d'héliostats pilotés ont consisté à exécuter des successions de manoeuvres en observant le comportement des héliostats concernés. Un effort particulier a été consacré à la mise en place du réseau d'antennes afin d'optimiser la qualité de la communication par radio. La configuration retenue aujourd'hui est la suivante :
  • les antennes individuelles (1/4 d'onde) sont placées sur le tube support de l'armoire de contrôle-commande, environ 30 cm au-dessus de l'armoire (2 m du sol). Elles sont en position horizontales, leur direction suit la rotation de l'héliostat. (Fig.3)
  • l'antenne principale est placée sur le toit de l'abri caméra au milieu du champ (à environ 3 m du sol). Elle est en position verticale (Fig.4).
Fig. 3 : Armoire et antenne embarquées sur chaque héliostat Fig. 4 : Antenne principale au centre du champ d'héliostats
Fig. 3 : Armoire et antenne
embarquées sur chaque héliostat
Fig. 4 : Antenne principale
au centre du champ d'héliostats
 
Plusieurs séquences ont révélé des faiblesses ou des dysfonctionnements des logiciels. Des modifications ont été proposées et apportées pour essayer d'éliminer ces défauts. La mise au point des logiciels (central et embarqué) se poursuit. L'objectif est de fiabiliser l'exécution, améliorer la qualité de communication avec les héliostats et accroître la convivialité du superviseur. Nous recherchons notamment les valeurs optimales des paramètres qui gèrent la transmission des informations entre le superviseur et les héliostats.
Pilotage
Le principe du pilotage des héliostats est le suivant :
  • L'opérateur sélectionne les héliostats à piloter. Les héliostats non sélectionnés sont exclus pendant toute la durée de la session. Ils demeurent immobiles, aucune mission ne peut leur être confiée.
  • Le superviseur essaye d'établir la communication avec tous les héliostats sélectionnés. En cas d'échec, il renouvelle sa tentative aux cycles suivants.
  • L'opérateur définit une mission, pour un héliostat ou pour un groupe d'héliostats sélectionnés.
  • Le superviseur envoie la mission aux héliostats concernés et vérifie individuellement son déroulement. Il signale par un message d'alerte les ruptures de communication et les éventuels défauts d'exécution (problème de comptage, défauts batteries, position hors limites, ...).
  • L'opérateur conserve le niveau hiérarchique supérieur, il peut définir et confier une nouvelle mission à tout instant dès lors que la communication avec le ou les héliostats est établie.
  • Une seule mission peut être définie et confiée dans une fenêtre de définition.
  • Plusieurs héliostats peuvent effectuer simultanément des missions distinctes, qui ont été définies et confiées successivement.
Fig.5 : Un groupe d'héliostats en poursuite du soleil (image CNRS-PROMES, mars 2010)
Fig.5 : Un groupe d'héliostats en poursuite du soleil
(image CNRS-PROMES, mars 2010)
 
Fig.6 : Le champ d'héliostats de PEGASE à Thémis (105 héliostats)
en poursuite du soleil (image CNRS-PROMES, mars 2010) Fig.6 : Le champ d'héliostats de PEGASE à Thémis (105 héliostats)
en poursuite du soleil (image CNRS-PROMES, mars 2010)
Fig.6 : Le champ d'héliostats de PEGASE à Thémis (105 héliostats) en poursuite du soleil (image CNRS-PROMES, mars 2010)