Automatisation et supervision : les petites stations d’épuration aussi

En France, la majorité des eaux usées est traitée par des stations d’épuration (STEP) de 10 000 équivalents-habitants (EH) ou plus, mais 50 % des installations en service sont de petite taille (moins de 500 EH). Ces stations utilisent des systèmes d’automatisme pour gérer leur fonctionnement à distance. « La complexité d'une installation se joue en termes de volumétrie, de nombre de moteurs et de variateurs, peu importe sa taille finalement puisqu'elle aura de toute manière besoin d’automatisme », souligne Thomas Bourgerie, responsable marketing Offre chez Schneider Electric. Mais alors que les grandes et moyennes stations bénéficient des dernières innovations technologiques, les petites stations doivent aussi gagner en autonomie, malgré des obstacles comme le coût élevé des équipements,

AUTOMATISATION ET SUPERVISION DES PETITES STATIONS

Alors que les ressources des donneurs d'ordre sont souvent limitées. « C'est pourquoi la solution devra être robuste, facile à exploiter avec peu de personnel et avoir un coût de fonctionnement maîtrisé », explique François Flèche, directeur marketing chez Arc Informatique.

Pour Marjorie Stanisic, directrice commerciale chez Perax, les enjeux des exploitants, en particulier des petites STEP, sont étroitement liés aux bénéfices de la télégestion. Ces enjeux incluent l'optimisation des ressources en eau et en énergie, l'accès à distance facilitant l'exploitation, et l'automatisation des alertes pour réduire les interventions humaines, la sécurité du fonctionnement et la conformité aux exigences contractuelles restant essentielles.

Les dataloggers (enregistreurs de données) et automates de Perax se distinguent par leur facilité d'utilisation, leur faible besoin de maintenance et leur longévité allant jusqu’à 40 ans grâce à des mises à jour logicielles gratuites. Le protocole MQTT permet d’assurer l'interopérabilité de la communication entre appareils de différentes natures et marques. « Il est particulièrement adapté à l'Internet des objets (IoT) et au partage des données, et reste utilisable dans des environnements à haut niveau de cybersécurité », souligne la responsable.

UNE TÉLÉGESTION PLUS « TRADITIONNELLE »

Arnaud Judes, directeur général d’Areal, société éditrice du logiciel de supervision Topkapi, relève, lui aussi, que le coût reste l'une des contraintes majeures à l'utilisation de tels outils, notamment sur une installation en local. « Éventuellement, l'installation d'un pupitre opérateur pour une conduite locale peut être envisagée avec, par exemple, l'ajout d'un automatisme de télégestion de type Perax ou Sofrel [gamme de Lacroix, NDR]. Ainsi, pour une surveillance à distance de la station, l'automate de télégestion sera capable d'envoyer des alarmes à l'opérateur. Équipé d'un poste central de télégestion tel que Topkapi, l'installation permettra de faire un diagnostic à distance et, éventuellement, du pilotage », précise le responsable d’Areal.

Avec son logiciel, l'éditeur se positionne sur des fonctions traditionnelles de télégestion, sans ajout de système SCADA. « Le plus de Topkapi est plutôt dans le large choix des protocoles de communication disponibles », précise-t-il avant d'évoquer les prochains défis comme, « d'une part, l'utilisation de protocoles de communication sécurisés et, d'autre part, la centralisation des données grâce à un logiciel SCADA ouvert et interopérable, indépendant des constructeurs de matériels communicants ».

Historiquement présent dans le secteur de l'assainissement, le spécialiste de l'instrumentation Endress+Hauser propose aujourd'hui une gamme variée de produits pour l'eau et l'environnement, mesurant des paramètres tels que le pH, le redox, l'oxygène dissous et la turbidité grâce à des analyseurs en ligne. « De plus en plus, aujourd'hui, et pour des questions d'économie d'énergie, il devient intéressant d'affiner les mesures d'un bassin d'aération. Alors qu'auparavant, on utilisait le potentiel redox pour ajuster l'oxygène, la technologie permet désormais de mesurer directement des paramètres clés comme l'ammonium et le nitrate, grâce à un automate qui optimisera les procédés, réalisant ainsi des économies d’énergie de 15 à 25 % », explique Matthieu Bauer, responsable marketing chez Endress+Hauser France. Cependant, ces solutions techniques engendrent des coûts d'achat et d'exploitation plus élevés, les rendant rentables à partir de 30 000 EH, bien qu'elles soient tout à fait adaptables aux plus petites STEP.

L'automatisation de la STEP est la première étape vers plus d'autonomie, et les solutions de supervision de Schneider Electric pour les stations de taille importante pourront être dupliquées et utilisées sur d'autres installations, même de petite taille.

L’optimisation du traitement en STEP est un levier essentiel pour améliorer l’efficacité énergétique et réduire les coûts d’exploitation. Cependant, les solutions de pilotage classiques restent souvent complexes à mettre en œuvre, notamment pour les petites et moyennes installations, en raison des besoins en câblage, en programmation et en ressources externes. Pour répondre à ces contraintes, une solution Plug & Play a été développée par Hach : il s’agit d’un système de régulation embarqué directement dans un transmetteur de mesure. Contrairement aux approches traditionnelles où les algorithmes sont intégrés à l’automate du site, cette technologie intègre les fonctions de contrôle dans le transmetteur SC4500, connecté aux sondes installées dans le bassin d’aération. Le système repose sur des mesures d’oxygène dissous (OD) et de potentiel redox, couramment utilisées dans les petites STEP. Ces sondes permettent un pilotage efficace de l’aération sans nécessiter d’infrastructure complexe. Des sondes d’ammonium et de nitrate AN-ISE sc peuvent être utilisées pour affiner le pilotage biologique, notamment dans les stations où les exploitants souhaitent aller plus loin dans la régulation des phases de nitrification et de dénitrification. Hach a constaté des bénéfices techniques significatifs : la réduction des coûts de mise en œuvre – l’intégration des algorithmes dans le transmetteur simplifie l’installation et limite les besoins en infrastructure –, la simplicité d’utilisation – les paramètres de régulation sont accessibles et modifiables directement via les menus du transmetteur, offrant une grande souplesse à l’exploitant – et l’efficacité énergétique (réduction de 8 à 15 % de la consommation électrique liée à l’aération, poste souvent le plus énergivore de la station). Cette approche rend l’optimisation des procédés accessible aux structures de taille modeste, tout en garantissant une prise en main facilitée et des performances élevées.

Les progrès informatiques permettent de créer de plus en plus de systèmes d’automatismes performants et abordables, offrant aux petites et moyennes stations d’épuration des fonctionnalités similaires à celles des grandes installations. François Fléche, d’Arc Informatique, présente le logiciel SCADA PcVue comme une solution efficace pour l’automatisation et la supervision des stations de moins de 10 000 EH. PcVue modélise les procédés et génère des applications de conduite communicant avec des équipements (capteurs IoT et serveur de télégestion), tout en proposant un catalogue standard de bibliothèques fonctionnelles. « Il permet un pilotage optimisé au moyen d’un assistant numérique et offre des options de conduite locale, mutualisée ou hébergée dans le cloud. Cette solution favorise l’évolution fonctionnelle des installations tout en restant simple d’utilisation, ce qui est crucial pour des exploitants souvent polyvalents », ajoute-t-il.

DES SOLUTIONS DIGITALES POUR CHAQUE STRATÉGIE DE GESTION

Schneider Electric couvre l’ensemble de la chaîne, de la distribution électrique à la collecte et l’analyse des données, en développant des automates, des variateurs et des solutions logicielles. Thomas Bourgerie souligne également que la valeur ajoutée de l’entreprise réside dans sa capacité à offrir des produits adaptés à toutes les tailles de STEP. Les petites, devenant plus autonomes, nécessitent des systèmes de communication par superviseurs centralisés. L’automatisation est essentielle pour cette autonomie, et les solutions de supervision utilisées pour de grandes stations peuvent être adaptées aux installations plus petites. « Sur les grandes STEP, il y aura sans doute plus de complexité des fonctions, mais l’avantage pour le client final, c’est qu’elle s’adapte et s’applique sans limite à d’autres installations, et optimise de cette manière les coûts », précise encore Thomas Bourgerie. « Les données du terrain doivent être transportées, stockées, prétraitées et mises à disposition dans un format exploitable. Quant à l’étendue des solutions que nous proposons, elles vont du terrain jusqu’au cloud, ce qui permet de disposer des données venant de n’importe où, 24 h/24 et en temps réel. Notre solution d’automatisation PLCnext permet de programmer selon la norme IEC 61131, mais également orientée vers des langages comme C, C++, C#, Python, Node-RED, Matlab/Simulink etc., sur un système d'exploitation ouvert et open source Linux», déclare le chef de produit automatisme de Phoenix Contact. 

«Tout l'enjeu pour les petites STEP est de pouvoir offrir des solutions pertinentes et performantes, tout en restant sobres en termes d'éléments et de coûts externes, comme l'instrumentation», explique, de son côté, Lynne Bouchy, responsable de marchés France chez Createch 360°. Spécialiste des solutions digitales pour le secteur de l'eau, Createch 360° propose des solutions alliant expertise process et informatique, incluant de l'intelligence artificielle (IA) et du pilotage en temps réel pour optimiser les procédés de traitement. «Sur ce type d'installations, poursuit la responsable, nous proposons des solutions d'IA et de pilotage basées sur de l'instrumentation simple et indirecte, O₂, redox, par exemple, qui n'épuisent pas tous les leviers d'optimisation mais qui permettent de trouver un équilibre coûts/gains, et donc un retour sur investissement intéressant, poursuit-elle. L’important étant de commencer par bien approfondir l'analyse de certains paramètres».

Ainsi, en fonction de la norme de rejet, des difficultés éventuelles (variations, conformité, etc.), de l'instrumentation existante et des leviers d’optimisation, Createch 360° pourra concevoir et proposer une solution la plus pertinente possible, avec un équilibre complexité/coût/bénéfices approprié. «Sur de petites stations, reprend Lynne Bouchy, il se peut qu’il n’y ait pas de personnel fixe, et parfois une simple robustesse des solutions et des automatismes flexibles et auto-ajustés peuvent déjà apporter beaucoup en termes de fiabilité de process, d'optimisation des ressources et de tranquillité d'esprit».

Des stations d’épuration conçues pour traiter 2 millions d’EH à celles de moins de 10 000 EH, Purecontrol n’a pas de limite sur les tailles. «Nous allons pouvoir équiper les petites stations dans le cadre d'un déploiement de plusieurs STEP pour le compte de collectivités qui ont plusieurs ouvrages comme pour des privés», explique Pauline Lorin, responsable marketing chez Purecontrol. En s'appuyant notamment sur des outils d'IA, mais pas seulement, la solution logicielle de pilotage en temps réel développée par la société propose une régulation à distance des équipements automates en déclenchant par exemple des cycles d'aération des bassins suivant des durées précises. Développée à partir d'une architecture cloud, la solution logicielle SaaS (Software-as-a-Service) recueille des données sur le fonctionnement des stations, telles que l'activité des automates et des mesures physico-chimiques. Elle prend également en compte des contraintes externes (tarifs énergétiques, météo, etc.) influençant la performance de traitement et les coûts d'exploitation.

UNE COMMUNICATION OUVERTE, MAIS SÉCURISÉE

«Selon l'utilisation que l'on fera du logiciel de développement, différents niveaux de compétences pourront être adaptés en fonction de la typologie des utilisateurs. L'installation doit, dans tous les cas, rester facile pour le client», précise Thomas Bourgerie, de Schneider Electric, tout en soulignant l'importance de bien identifier en amont les besoins et objectifs afin d’optimiser le fonctionnement de la STEP, même pour la plus petite.

« Un système ouvert est crucial pour assurer la communication entre équipements de différentes marques », ajoute-t-il. Ainsi, quelle que soit la taille de la station, le pilotage devra d’abord s'appuyer sur les moyens de connexion disponibles, ou à mettre en place s'ils sont insuffisants. « Bien sûr, plus la STEP sera équipée, plus l’investissement sera important, admet le responsable. Toutefois, nous encourageons aussi à optimiser le fonctionnement des petites stations, notamment dans le cadre de programmes de gestion de différentes installations grâce à des solutions comme notre EcoStruxure Automation Expert. À l’image d'un écosystème global, cette solution les intégrera avec des coûts moindres et bénéficiera ainsi des mêmes bibliothèques métiers pouvant intégrer des données clefs, utilisées par l’IA ».

De plus, Schneider Electric met l'accent sur la cybersécurité, intégrant nativement des protections dans toutes les installations pour sécuriser les échanges de données, car les petites STEP sont également exposées aux risques. « Sans cybersécurité, les STEP pourront être victimes d’importantes failles, voire d'arrêts, engendrant alors des surcoûts importants », prévient Thomas Bourgerie.

La digitalisation croissante dans le secteur de l'eau expose les installations à des risques de cybersécurité, comme en témoigne l'Anssi qui a traité plus de trente incidents depuis 2021. Face à ces menaces, les acteurs du secteur doivent se conformer aux nouvelles obligations de la directive européenne NIS 2, visant à renforcer la protection des systèmes et à garantir la disponibilité et la confidentialité des données.

François Flèche, d’Arc Informatique, souligne que des référentiels comme IEC 62443 imposent des exigences strictes. Pour y répondre, la société intègre des fonctions de cybersécurité sur sa plateforme PcVue, telles que la gestion des accès et le chiffrement des flux. Certifiée ISO 9001 et ISO 27001, l'entreprise assure un haut niveau de qualité et de sécurité. « Enfin, PcVue propose une solution économique et évolutive pour les petites collectivités, contribuant aux objectifs de développement durable, comme la réutilisation de l'eau et la sobriété énergétique », poursuit le responsable.

De son côté, Createch 360° offre également des protocoles de communication et de cybersécurité adaptés aux petites installations, avec une architecture flexible, sans recourir au cloud. « Parfois, des limitations en termes d'automatisme peuvent exister mais dans ce cas, nous pouvons déployer des solutions de communication ad hoc pour piloter les machines », ajoute encore Lynne Bouchy. La cybersécurité chez Phoenix Contact est primordiale que ce soit dans les usines, les procédés de production mais aussi au niveau des produits. « Pour accéder en temps réel aux données et les exploiter, nous avons développé la plateforme sécurisée Proficloud. Il s'agit d'une solution cloud globale intégrée directement à notre gamme d'automates Axiocontrol PLCnext », ajoute le chef de produit de Phoenix Contact. L'intégration de produits de cybersécurité est indispensable afin de bloquer les cyberattaques mais aussi pour éviter la prise en main à distance par des personnes non autorisées. C'est pour cela que le fabricant propose la gamme de pare-feux mGuards. Ils respectent les exigences élevées de sécurité confirmées indépendamment par la certification TÜV selon les normes CEI 62443-4-1 et CEI 62443-4-2.

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DU PROCESS À LA DATA AVEC L'IA

La solution EcoStruxure Automation Expert de Schneider Electric, développée sur une nouvelle norme de programmation, centralise toutes les informations sur un logiciel unique permettant d'installer le matériel approprié selon la complexité de l'architecture.

Pour Thomas Bourgerie, cette solution rendra les variateurs « intelligents », réduisant ainsi les besoins en distribution électrique et la taille des armoires pour les petites stations. Orientée « objet », elle facilitera par exemple la régulation des pompes, tout en maintenant un fonctionnement homogène quelle que soit la taille de la STEP.

Le logiciel permet des interventions indépendantes sur le procédé, la visualisation ou la supervision, en fonction des matériels disponibles. « Notre solution est basée sur l'association UniversalAutomation.org regroupant divers acteurs du secteur de manière à faire évoluer l'écosystème selon les attentes du marché », poursuit le responsable. Schneider Electric développe également des fonctionnalités basées sur l'IA pour améliorer l'expérience client et optimiser l'analyse des données. L'IA est essentielle pour qualifier, analyser et corréler des données de terrain de plus en plus précises.

« Bien qu'elle aide à optimiser les décisions et le contrôle des procédés, la diversité des solutions et des dispositifs de collecte de données pose un défi pour les éditeurs d'IA », selon Marjorie Stanisière, de Perax. Pour surmonter cette contrainte, des fabricants comme Perax intègrent des protocoles de communication standard comme le MQTT dans leurs produits. Cela permet aux outils d'IA de recevoir des données directement, sans dépendre de plateformes IoT spécifiques ou de systèmes de supervision, leur permettant ainsi de se concentrer sur leur véritable valeur ajoutée. « Pour le traitement des applications d'IA, à notre automate AXC F 3152 s'ajoute notre module d’extension des automates AXC F XT ML 1000. Celui-ci permet l'application de méthodes d'apprentissage automatique (machine learning) directement sur le contrôleur PLCnext. Il est ainsi idéal pour la détection d'éléments défectueux, ou conformes, la comparaison de produits ou d'images mais aussi le comptage », ajoute le chef de produit automatisme de Phoenix Contact.

DU VIRTUEL AU CONCRET

La solution de Purecontrol, elle, a également l’avantage d’être économique puisqu’elle ne nécessite pas forcément l’ajout de matériel. Elle pourra par exemple fonctionner sans que la station soit équipée d'une sonde de mesure d’ammonium (NH₄). « Nous allons pouvoir créer une sonde NH₄ virtuelle en apprenant du fonctionnement de la station, explique Pauline Lorin. En utilisant des données sur les temps de fonctionnement des aérateurs et les relevés des sondes d’oxygène dissous et de redox, Purecontrol modélise et prédit l’évolution de la charge en ammonium. Cela permet de réaliser des prévisions sur 24 h, de simuler différents plannings de fonctionnement et d’envoyer des consignes en temps réel pour optimiser le fonctionnement. Un avantage certain qui rendra par ailleurs la solution tout à fait éligible aux petites stations. »

Une capacité à raisonner en tenant compte des données de fonctionnement de la STEP, mais aussi d'une multitude de facteurs externes qui peuvent être des contraintes ou des opportunités, par exemple une tarification heures pleines/heures creuses. L’entreprise développe ainsi des modèles d’apprentissage types pour l’aération en modélisant la charge en NH₄, ou pour le traitement de déphosphatation (afin de réduire l’utilisation de réactifs) en modélisant la concentration en phosphore.

Pour fonctionner, la solution de Purecontrol nécessite un accès aux informations des automates, une sonde oxygène dissous ou redox et, éventuellement, un accès à la consommation électrique, des prérequis finalement peu contraignants, même pour les petites STEP. Si une connexion à distance n'est pas possible, un routeur 4G sécurisé peut d’ailleurs être fourni. La connexion représente donc le seul coût d’investissement pour le client.

« Nous allons créer un jumeau numérique pour chaque station, permettant de modéliser les cycles d’aération et de générer une sonde virtuelle en ammonium à partir de données existantes, sans passer par une remodélisation complète. Cela rend la mise en œuvre rapide, économique et évolutive, convenant aussi bien aux petites qu’aux grandes stations », souligne encore Pauline Lorin.

L’INTEROPÉRABILITÉ DES SYSTÈMES

« Nous avons besoin de systèmes communicants pour améliorer le processus de remontée d’informations via des transmetteurs. Actuellement, les petites STEP utilisent principalement des transmissions en 4-20 mA, qui limitent les données aux mesures de base comme l'ammonium, le nitrate et le redox. Pour remonter des informations supplémentaires sur l’état des capteurs, des moyens de communication avancés comme Modbus et EtherNet/IP seront nécessaires car la transition vers des solutions de maintenance prédictive et de contrôle à distance devient essentielle », ajoute Matthieu Bauer, d’Endress+Hauser.

Par ailleurs, le fabricant développe actuellement des capteurs pour planifier les interventions et des transmetteurs équipés de cartes GSM, qui remontent les données vers un cloud dédié, Netilion, optimisé pour les procédés industriels.

Et le chef de produit de Phoenix Contact de compléter : « Notre plateforme d'automatisation ouverte PLCnext combine la robustesse d’un automate industriel avec la flexibilité d'un environnement IT moderne. Son ouverture, assurée par un large choix de modules d'entrées/sorties, la compatibilité OPC UA et aux protocoles industriels courants (Profinet, Modbus, EtherNet/IP…), l’intégration cloud/edge et la virtualisation (Virtual PLCnext), facilite la connexion avec d'autres systèmes, la migration de parcs existants et l’ajout de fonctions avancées (IA, analyse, cybersécurité), tout en restant certifiée IEC 62443 pour les environnements industriels. »

Quant à la solution de Purecontrol, elle est désormais largement utilisée en France, déployée sur près de 600 stations de toutes tailles, avec des retours positifs confirmant sa maturité pour s’adresser à toutes les stations déjà automatisées. « Notre objectif : tirer le meilleur de l'existant, sans avoir forcément à réinvestir dans des équipements parfois coûteux, grâce à notre “intelligence” déportée dans le logiciel », reprend Pauline Lorin.

Pour les collectivités gérant plusieurs petites stations, une régulation fine pourrait exiger un investissement important en personnel pour les déplacements et les vérifications.

« Avec Purecontrol, les opérateurs bénéficient d'une hypervision pour surveiller toutes les stations et obtenir des prévisions sur 24 h. Ils reçoivent également des alertes en cas d’anomalies, ce qui leur permet de gagner du temps, de prioriser les interventions et de se concentrer sur des tâches à plus forte valeur ajoutée », poursuit la responsable.

Et Lynne Bouchy (Createch 360°) de conclure : « Nous proposons également des fonctionnalités de supervision avancée, et même une couche d’hypervision globale de l’ensemble d'un parc. Ceci permet un suivi efficace, et aussi une gestion des données homogène et intégrée. »