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Laborelec:
“Modelgebaseerd ontwerpen geeft ons voorsprong”
Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine
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Als het op rekencapaciteit aankomt, zijn wiskundige en wetenschappelijke
softwarepakketten niet meer weg te denken uit de kantoren van de
engineering- en consultancybureaus. Veel modellen en analyses zijn danig
complex, dat enkel gespecialiseerde software nog kan zorgen voor
visualisatie, structuur en overzicht. We legden ons oor te luisteren bij
de ingenieurs van energiespecialist Laborelec en vroegen naar hun ervaring
met dit type software, in case MATLAB van The MathWorks.
We zijn het centrale Belgische laboratorium voor
wetenschappelijk en technisch onderzoek binnen de energiesector, dat van
essentieel belang is voor de huidige en toekomstige business van haar
partners en hun klanten in een internationale markt. Wij bereiken deze
doelstelling door gespecialiseerde diensten te leveren voor de productie,
de distributie en het gebruik van elektriciteit en aanverwante energieën.
In de praktijk betekent dit: complexe technische problemen oplossen en
anticiperen op technische uitdagingen door te innoveren. In onze
activiteiten besteden we constant aandacht aan energiebesparingen,
milieuonderwerpen en ontwikkelingen van nieuwe technologieën. De
complexiteit van de aangeboden diensten en behandelde projecten maakt het
gebruik van informatica noodzakelijk, en MATLAB maakt daar een belangrijk
onderdeel van uit.” Aan het woord is Pierre Bulens, Research Engineer bij
Laborelec.
Integraal gebruik
MATLAB (MATrix LABoratory) is een zeer veelzijdig wiskundig
softwarepakket, dat specifiek ontwikkeld is voor applicaties die veel
rekenwerk vereisen. Het beschikt over veel gereedschappen voor
technisch-wetenschappelijke problemen, en biedt de mogelijkheid om
functionaliteit eenvoudig van een grafische gebruikersinterface te
voorzien. Een goede omschrijving zou kunnen zijn: een ‘industriestandaard’
software-omgeving voor ‘Technical Computing’ die numerieke
berekeningscapaciteit en visualisatie combineert met een
gebruiksvriendelijke programmeertaal. Software zoals MATLAB en de daaraan
gerelateerde toolboxen (Laborelec bijvoorbeeld werkt met 27 gerelateerde
toolboxen) is intussen inderdaad van onschatbare waarde voor
data-acquisitie, -analyse en –visualisatie en de ontwikkeling van
algoritmen en applicaties. Pierre Bulens: “MATLAB wordt integraal binnen
onze organisatie ingezet. Zo gebruikt de Process Control afdeling
MATLAB/Simulink voor het simuleren van circuits in centrales, bijvoorbeeld
voor het modelleren van een klep, of om vervuiling van de filters tegen te
gaan. Ook onze Power Quality-afdeling zet deze software in om onder andere
de spanning en stroom gedurende een bepaalde periode te berekenen, om
vervolgens de grote hoeveelheid data te analyseren om te bekijken welke
onregelmatigheden of defecten er in zitten. Deze berekeningen worden
gebruikt voor het jaarlijkse rapport voor netbeheerders, waarvoor ook
MATLAB Report Generator ingezet wordt. Wij werken sinds begin 2000 met de
diensten van The MathWorks. Voordien gebruikten wij een numerieke
bibliotheek, maar die voldeed toch niet volledig aan onze verwachtingen.
Het grote voordeel van MATLAB is, dat wij de software voor een veelvoud
aan toepassingen kunnen inzetten.”
Maatwerk en andere mogelijkheden
“MATLAB, Simulink en andere gerelateerde producten van The MathWorks zijn
ontwikkeld om wetenschappers, researchers en technici bij te staan in hun
dagelijks werk”, aldus Boris Grams van The MathWorks. “Binnen MATLAB
kunnen gebruikers zelf applicaties programmeren. De programmeertaal is
specifiek, maar lijkt veel op andere procedurele programmeertalen. Daarbij
is het dan ook mogelijk om gebruik te maken van MATLAB’s geavanceerde
functies om bijvoorbeeld driedimensionale grafieken en andere complexe
figuren weer te geven.” Hij vervolgt: “Gebouwd op MATLAB is Simulink een
platform voor het modelleren, analyseren en simuleren van dynamische
systemen, gebruikmakend van een interactieve grafische interface. Hierbij
kunt u denken aan control design, digitale signaalverwerking en
communicatiesystemen, maar ook aan logistiek modelleren. Zo heeft
bijvoorbeeld modelgebaseerd ontwerpen de wijze waarop ‘embedded’ systemen
worden ontwikkeld veranderd. Papieren documenten, fysieke prototypes,
handmatig programmeren en ontkoppeld testen zijn vervangen door hun
evenknieën in de informatica: computermodellen, simulaties, automatische
codegeneratie en nauw met het ontwerp geïntegreerde testen. Door dit
mogelijk te maken voor grootschalige ontwikkelprojecten en real-time
applicaties, en door een omgeving te bieden waarbinnen verschillende
engineeringteams een bijdrage kunnen leveren aan één en hetzelfde ontwerp,
heeft Simulink een aanzienlijke impact op de manier waarop ook grote en
gedistribueerde teams embedded systemen ontwerpen, implementeren en
testen.”
Centrum voor innovatie
De voornaamste klanten van Laborelec zijn de operationele eenheden van de
elektriciteitssector naast een grote waaier andere klanten uit de
energie-industrie. “De kwaliteit van de geleverde elektriciteit is een
onontkoombaar item geworden in de vrijgemaakte sector van de elektrische
energie en voor de rendabiliteit van de ondernemingen,” aldus Catherine
Stuckens, Research Engineer bij Laborelec. “De diensten die wij op gebied
van raadgeving (consulting) bieden, omvatten enerzijds bepaalde metingen
van gebreken in de kwaliteit van een bepaalde levering en anderzijds een
reeks analyses. Deze laatste betreffen bijvoorbeeld de gevoeligheid van de
uitrustingen ten overstaan van fouten, de simulatie van de belastingen en
netten (met tools zoals MATLAB, Simulink, EMTP), het niveau van de
storingsemissie van de belastingen, de perturbografie, de methodes voor
bekabeling en aarding, de analyse van de fouten in de
beveiligingssystemen, enz. Laborelec kan de verantwoordelijke klant hier
helpen bij middel van simulaties, metingen, specificaties, enz. Het
resultaat van een raadpleging kan bestaan in een vergelijking van de
kostprijs van een oplossing ten overstaan van de kost van een
productiestop, of nog in de berekening van de afschrijvingstermijn. De
‘nieuwe’ context van de interne elektrische netten vereist bijvoorbeeld
dat men de storingsbronnen identificeert en ze nauwkeurig kwantificeert,
ten einde de investeringen te optimaliseren die nodig zijn om dergelijke
storingen te beheersen. Laborelec heeft ook een programma ontwikkeld ter
controle van ondergrondse bekabeling. Hiermee zijn we uniek in de wereld.”
Om zijn klanten de garantie te kunnen bieden dat ze over een gezonde
installatie en een performant net beschikken, werkt Electrabel bij
voorkeur samen met Laborelec. Via zijn Centraal Laboratorium voor
Elektriciteit is Laborelec door Beltest geaccrediteerd voor het uitvoeren
van metingen in situ betreffende de kwaliteit van de levering, en dit met
behulp van uitrustingen gebouwd conform de internationale norm IEC
61000-4-30.
Problem Solver
Voor alle hier vernoemde toepassingen geldt dat door het probleem te
abstracteren, de contouren van een algemene oplossingsstrategie duidelijk
worden. Door deze strategie vervolgens (gevectoriseerd) met MATLAB te
implementeren, ontstaat een programma dat enerzijds snel en krachtig is,
en dat anderzijds, door een geringere omvang ten opzichte van meer
traditionele programmeertalen, eenvoudig en transparant is. Onze
gesprekpartners zijn het dan ook unaniem over eens dat MATLAB een echte
‘probleemoplosser’ is. En Benoît Codrons, Technology Manager Process
Automation besluit: “Onlangs werd de “packing” van de koeltorens van een
centrale door een nieuwe “packing” met een hoger thermisch rendement,
vervangen. Om de verkalking te vermijden moet het koelwater behandeld
worden door het injecteren van een hoeveelheid zwavelzuur waarvan het
debiet gecontroleerd wordt door een automaat. Met Simulink hebben we een
simulator van het koelingscircuit ontwikkeld die met alle (mechanische en
chemische) aspecten rekening houdt. Dankzij onze simulaties hebben wij aan
de centrale de beste regelingstructuur kunnen aanbieden die meteen in de
automaat werd gereproduceerd. Wij durven gerust stellen dat wij, sinds het
gebruik van MATLAB, voorsprong hebben genomen op de ontwikkeling. MATLAB
is voor ons een centraal werkinstrument geworden dat zijn diensten al
ruimschoots bewezen heeft. Het leent zich uitstekend tot complexe
numerieke berekeningen en grafieken en de toolboxen, die kunnen worden
gemixt, leveren ons een groot voordeel. Wij denken niet dat we het nog
zouden kunnen missen.” <<
Kader:
Laborelec: niet weg te denken uit het energielandschap
Het Belgische Laborelec is een hoogtechnologisch competentiecentrum in
energieprocessen en –gebruik. Het verricht R&D en toegepaste ondersteuning
zoals energieaudits, het opstellen van energieplannen, studies in het
kader van benchmarkconvenant, specifieke energiestudies en meetcampagnes
van onder andere perslucht, stoom, koeling, verlichting, load management,
aandrijvingen, elektrowarmtetechnieken, enz
Verborgen in het groen tussen Linkebeek en Alsemberg, is het
engineeringbureau op meerdere vlakken baanbrekend voor de Belgische
(energie)industrie. Wetenschappers en andere ingenieurs bestuderen hoe je
op een milieuvriendelijke manier afval kan verbranden, hoe je bedrijven
een betere spanningskwaliteit op het elektriciteitsnet kan garanderen, hoe
je de apparatuur kan bijsturen en controleren, hoe bedrijven rationeler
met energie kunnen omspringen, en zo meer. M.a.w. het is ‘hét’ Belgische
referentielaboratorium voor de industrie voor alles wat met elektrische
energie te maken heeft. Dankzij de jarenlange ervaring en de verworven
expertise is dit competentiecentrum uitgegroeid tot een onmisbare schakel
in zowel de nationale als internationale energieproblematiek. << Laborelec:
“La conception basée sur des modèles nous confère une avance” Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine
En matière de capacité de calcul, plus personne ne peut imaginer des
bureaux d’ingénierie et de consultance sans progiciels mathématiques et
scientifiques. De nombreux modèles et analyses sont tellement complexes
que seul un logiciel spécialisé peut encore apporter une visualisation,
une structure et un aperçu. Nous nous sommes entretenus avec les
ingénieurs de Laborelec, le spécialiste de l’énergie, et nous leur avons
demandé leur expérience avec ce type de logiciels, dans ce cas MATLAB de
The MathWorks. “Nous sommes le laboratoire central belge de recherche scientifique et
technique au sein du secteur de l’énergie. Ce laboratoire est d’une
importance capitale pour le business actuel et futur de ses partenaires et
de leurs clients sur un marché international. Nous atteignons cet objectif
en fournissant des services spécialisés pour la production, la
distribution et l’utilisation d’électricité et d’énergies connexes. Dans
la pratique, cela revient à résoudre des problèmes techniques complexes et
à anticiper les défis techniques en innovant. Dans nos activités, nous
attachons en permanence de l’importance aux économies d’énergie, aux
problématiques environnementales et aux développements de nouvelles
technologies. La complexité des services offerts et des projets traités
rend l’utilisation de l’informatique nécessaire et MATLAB en est un
élément essentiel” explique Pierre Bulens, Research Engineer chez
Laborelec.
Utilisation intégrale
MATLAB (MATrix LABoratory) est un progiciel mathématique polyvalent,
spécifiquement conçu pour des applications qui réclament beaucoup de
travail de calcul. Il dispose de nombreux outils pour résoudre des
problèmes technico-scientifiques et offre la possibilité de doter la
fonctionnalité très simplement d’une interface utilisateur graphique. Une
bonne description pourrait être: un environnement logiciel ‘au standard
industriel’ pour le ‘Technical Computing’, combinant capacité de calcul
numérique et visualisation avec un langage de programmation convivial. Un
logiciel comme MATLAB et ses boîtes d’outils afférentes (Laborelec utilise
par exemple 27 boîtes d’outils afférentes) sont en effet d’une valeur
inestimable pour l’acquisition, l’analyse et la visualisation de données
et pour le développement d’algorithmes et d’applications. “MATLAB est
intégralement mis en œuvre au sein de notre organisation” ajoute Pierre
Bulens. “Le département de Process Control utilise MATLAB/Simulink pour la
simulation de circuits dans les centrales, par exemple pour la
modélisation d’une vanne ou pour contrer la pollution des filtres. Notre
département Power Quality emploie ce logiciel notamment pour calculer la
tension et le courant durant une certaine période, afin d’analyser par la
suite cette grande quantité de données et de voir ainsi les irrégularités
ou défauts qu’elles con-tiennent. Ces calculs sont utilisés pour le
rapport annuel des gestionnaires de réseau, pour lequel MATLAB Report
Generator est également mis en œuvre. Nous travaillons depuis début 2000
avec les services de The MathWorks. Auparavant, nous utilisions une
bibliothèque numérique mais celle-ci ne rencontrait pas totalement nos
attentes. Le grand avantage de MATLAB réside dans la mise en œuvre du
logiciel pour une multitude d’applications.”
Travail sur mesure et autres possibilités
“MATLAB, Simulink et d’autres produits afférents de The MathWorks sont
développés afin d’assister les scientifiques, chercheurs et techniciens
dans leur travail quotidien” explique Boris Grams de The MathWorks. “Avec
MATLAB, les utilisateurs peuvent programmer eux-mêmes des applications. Le
langage de programmation est spécifique mais ressemble beaucoup à d’autres
langages de programmation procéduraux. Il est également possible
d’utiliser les fonctions avancées de MATLAB pour représenter par exemple
des graphiques tridimensionnels et d’autres figures complexes.” Et de
poursuivre: “Simulink est une plate-forme basée sur MATLAB. Elle est
destinée à la modélisation, à l’analyse et à la simulation de systèmes
dynamiques, à l’aide d’une interface graphique interactive. Vous pouvez
penser par exemple au control design, au traitement de signaux numériques
et aux systèmes de communication, mais aussi à la modélisation logistique.
La conception basée sur des modèles a, par exemple, modifié la manière
dont sont développés les systèmes ‘embarqués’. Les documents papier, les
prototypes physiques, la programmation manuelle et les tests découplés
sont remplacés par leurs équivalents informatiques: modèles informatiques,
simulations, génération automatique des codes, et tests étroitement
intégrés avec le concept. En permettant cela pour des projets de
développement à grande échelle et des applications en temps réel, et en
offrant un environnement dans lequel diverses équipes d’ingénierie peuvent
apporter leur contribution à un seul et même projet, Simulink a un impact
considérable sur la manière dont de grandes équipes distribuées
conçoivent, implémentent et testent des systèmes embarqués.”
Centre d’innovation
Les principaux clients de Laborelec sont les unités opérationnelles du
secteur de l’électricité, en plus d’un grand éventail d’autres clients
issus de l’industrie de l’énergie. “La qualité de l’électricité fournie
est un point incontournable pour le secteur libéralisé de l’énergie
électrique et pour la rentabilité des entreprises” observe Catherine
Stuckens, Research Engineer chez Laborelec. “Les services que nous offrons
en matière de consultance comprennent d’une part certaines mesures de
défauts de qualité dans une fourniture spécifique et d’autre part une
série d’analyses. Celles-ci concernent par exemple la sensibilité des
équipements à l’égard des défauts, la simulation des charges et réseaux
(avec des outils comme MATLAB, Simulink, EMTP), le niveau d’émission de
défauts des charges, la perturbographie, les méthodes de câblage et de
mise à la terre, l’analyse des défauts dans les systèmes de protection…
Laborelec peut aider le client responsable au moyen de simulations, de
mesures, de spécifications… Le résultat d’une consultation peut comporter
une comparaison du coût de revient d’une solution par rapport aux coûts
engendrés par un arrêt de production, ou encore le calcul du délai
d’amortissement. Le ‘nouveau’ contexte des réseaux électriques internes
exige par exemple que l’on identifie les sources de perturbation et qu’on
les quantifie exactement afin d’optimiser les investissements nécessaires
pour maîtriser de tels défauts. Laborelec a également développé un
programme pour contrôler les câbles souterrains. Nous sommes uniques au
monde à cet égard.” Afin d’offrir à ses clients la garantie de disposer
d’une installation saine et d’un réseau performant, Electrabel travaille
de préférence avec Laborelec. Via son Laboratoire Central d’Electricité,
Laborelec est accréditée par Beltest pour effectuer des mesures sur site
concernant la qualité de la fourniture, et ceci à l’aide d’équipements
construits conformément à la norme internationale IEC 61000-4-30.
Solutionneur de problèmes
Pour toutes les applications citées ci-dessus, l’ébauche d’une stratégie
générale de résolution devient claire en conceptualisant le problème. En
implémentant ensuite cette stratégie dans MATLAB (de façon vectorielle),
on obtient un programme d’une part rapide et puissant et d’autre part
simple et transparent, en raison d’une ampleur plus réduite par rapport à
des langages de programmation plus traditionnels. Nos interlocuteurs sont
dès lors unanimes sur le fait que MATLAB est un vrai ‘solutionneur de
problèmes’. Et Benoît Codrons, Technology Manager Process Automation, de
conclure: “Le ‘packing’ des tours de refroidissement d’une centrale a été
récemment remplacé par un nouveau ‘packing’, offrant un rendement
thermique supérieur. Afin d’éviter son entartrage, l’eau de
refroidissement doit être traitée par injection d’une quantité d’acide
sulfurique dont le débit est contrôlé par un automate. Avec Simulink, nous
avons développé un simulateur du circuit de refroidissement qui tient
compte de tous les aspects (mécaniques et chimiques). Grâce à nos
simulations, nous avons pu proposer à la centrale la meilleure structure
de régulation, qui a d’emblée été reproduite dans l’automate. Nous osons
certainement dire que, depuis l’utilisation de MATLAB, nous avons pris une
avance en matière de développement. MATLAB est devenu pour nous un
instrument de travail central qui a déjà largement prouvé ses services. Il
se prête parfaitement aux calculs numériques et graphiques complexes, et
les boîtes à outils qui peuvent être mélangées, nous confèrent un grand
avantage. Nous ne pourrions plus nous en passer.” <<
Cadre:
Le paysage de l’énergie inconcevable sans Laborelec
La société belge Laborelec est un centre de compétences de haute
technologie en processus énergétiques et utilisation de l’énergie. Elle
effectue de la R&D et offre un support appliqué comme les audits
énergétiques, l’élaboration de plans énergétiques, les études dans le
cadre d’un accord de benchmarking, les études d’énergie spécifiques et les
campagnes de mesure d’air comprimé, de vapeur, de froid, d’éclairage, de
gestion de charges, d’entraînements, de techniques de chauffe électrique…
Niché en pleine campagne entre Linkebeek et Alsemberg, le bureau
d’ingénierie est innovateur à bien des égards pour l’industrie (de
l’énergie) belge. Les scientifiques et autres ingénieurs étudient comment
brûler les déchets de manière écologique, comment garantir aux entreprises
une meilleure qualité de tension sur le réseau électrique, comment
corriger et contrôler l’équipement, comment utiliser l’énergie de manière
plus rationnelle… En d’autres termes, c’est ‘LE’ laboratoire de référence
belge pour l’industrie pour tout ce qui touche à l’énergie électrique.
Grâce à sa longue expérience et à l’expertise acquise, ce centre de
compétences est devenu un maillon indispensable, tant dans la
problématique de l’énergie nationale qu’internationale. <<
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