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Automatisation, supervision, télégestion : optimiser la gestion des ouvrages

31 mai 2021 Paru dans le N°442 à la page 31 ( mots)
Rédigé par : Patrick PHILIPON

Le monde de l’eau est aujourd’hui familier des systèmes de traitement de l’information. Des évolutions se dessinent toutefois en termes de protocoles, d’ouverture des systèmes. Et, après les usines, STEP et réseaux de distribution, c’est au tour des réseaux d’assainissement de s’équiper.

Usines d’eau potables, STEP et, plus récemment, réseaux de distribution sont aujourd’hui bardés de capteurs communicants, automates, systèmes de télégestion, scadas, etc. composant des systèmes complets de traitement de l’information. L’idée générale étant de conduire les installations en temps réel, surveiller leur état, les adapter à tout moment aux contraintes internes (techniques, variations de flux) et externes (aléas météorologique, variation de population, contraintes environnementales…), minimiser la consommation d’énergie et de produits divers, assurer une continuité de service optimale, diminuer les pertes en eau, et aller vers une maintenance prédictive. Les principes sont bien établis mais le secteur vit encore des évolutions en termes d’architectures des systèmes, de protocoles de communication et même de domaines concernés. A quel niveau se situe l’évolution aujourd’hui : capteurs, actionneurs et automates ? télégestion ? protocoles de communication ? scada ? “au-delà” (services Web, plateformes d’exploitation des données) ?

La « couche basse », déjà déterminante

Capteurs, automates, télégestion : bien que “périphériques”, ces systèmes participent pleinement à la circulation de l’information. Les capteurs, en particulier, se situent de plus en plus entre le monde de la mesure et celui de l’information, que ce soit via la télégestion ou l’IoT. Deux situations prévalent. Sur les réseaux ou les postes isolés, en l’absence d’alimentation électrique, les données produites par les divers capteurs sont remontées par des data loggers munis d’une batterie assurant l’autonomie énergétique. L'autonomie énergétique et l'impact sur l'environnement des piles, la fiabilité des télécommunication et l'interopérabilité des produits, sont les principales préoccupations des utilisateurs des dataloggers. C'est pourquoi Perax Technologies a développé sa nouvelle gamme de DataLoggers DeltaX. Ils utilisent des batteries rechargeables, le mode très faible consommation LTE-M des réseaux 4G (avec mode 2G en cas de défaut de couverture 4G), le protocole de communication ouvert MQTT et une plateforme IoT de surveillance de la communication et des données et d'interfaçage avec les superviseurs et autre plateformes IoT du marché. «  Avec l'inter-sites, nos data loggers envoient des informations aux postes locaux distants qui peuvent agir sur le process sans intervention humaine, par exemple si un seuil est dépassé (pression trop basse sur un point critique du réseau, niveau réservoir trop bas, etc. ). Bien sûr, une alarme est envoyée pour informer les équipes d’intervention. Mais surtout, selon une fréquence déterminée (une ou plusieurs fois par jour), les data loggers envoient les données vers les systèmes centraux » explique par exemple Benoît Quinquenel, chef de projets Digital & Communication chez Lacroix.
La plateforme logicielle Topkapi, éditée par Areal, participe à l’optimisation de la gestion opérationnelle des ouvrages (usine d’eau potable, station d’épuration, réseau d’eau, réseau d’assainissement, etc.) en facilitant l’exploitation des données issues de différentes sources : automates, objets connectés - IoT, data loggers, plateforme Web de données, etc. Une attention particulière a été portée sur l’accessibilité en mobilité aux applications Topkapi et à l’interopérabilité avec des applications tierces au sein du Système d’Information des clients.

Dans les installations reliées au réseau électrique, on utilise des systèmes de télégestion, à même de faire remonter les données en permanence, via ADSL ou téléphonie mobile, vers des smartphones, tablettes ou PC nomades. C’est le cas par exemple du poste de télégestion SofreL S4W de Lacroix qui équipe, un très grand nombre de communes en France et à l'étranger. Dès ce niveau, il est possible d’intervenir dans la gestion opérationnelle des installations. Les automates de télégestion, comme les P400Xi de Perax Technologies, permettent un pré-traitement des données plus élaboré que celui des dataloggers, grâce à une puissance de calcul et une mémoire plus importante. Ils permettent de gérer des automatismes locaux complexes et des asservissements tout en offrant une possibilité de surveillance et d'action à distance sur leur fonctionnement. Parce que de nombreux réseaux de télégestion ont vocation à s'interconnecter en fonction de l'évolution des intercommunalités, Perax Technologies travaille actuellement sur l'implémentation prochaine du protocole standard et ouvert MQTT dans ses automates de télégestion P400Xi à l'instar de ce qu'elle a réalisée pour ses dataloggers. Endress+Hauser, fournisseur d’instruments et d’automates, propose pour sa part un “écosystème” internet, Netilion. Une manière de connecter directement les capteurs à des services web qui peuvent tirer des informations de cette masse de données. Par exemple pour aller vers une maintenance prédictive. JS automation, le distributeur français des solutions IHM/SCADA de Copa-Data, distribue de son côté des solutions de télégestion développées par l’Italien Seneca et le Danois Brodersen dont le logiciel intégré Straton permet d’automatiser facilement des procédés de développement.

Protocoles de communication : vers une convergence

Le temps n’est plus où chaque opérateur ou collectivité développait son système d’information en vase clos, avec des architectures relativement simples et fermées. La “couche basse” est de plus en plus souvent reliée à internet, ce qui implique que l’ensemble du système d’information, scada compris, puisse y accéder.
« Aujourd’hui, les clients instrumentent de plus en plus leurs installations, donc nous devons ouvrir notre scada vers le monde des objets connectés. Quelques standards de communication commencent à émerger, comme Sigfox, LoRa ou MQTT. Le codage des données n’y est toutefois pas encore standardisé. Nous proposons aujourd’hui un connecteur “universel” – web services, nouveaux réseaux de communication – capable de récupérer les données dans le scada ou, dans l’autre sens, de les mettre à disposition des tiers » explique ainsi Arnaud Judes, directeur commercial d’Areal, l’éditeur du scada Topkapi. La ville de Valence, par exemple, a déployé une infrastructure LoRa pour son projet de smart city. Areal a positionné son connecteur “universel” pour l’interfacer avec sa plateforme logicielle Topkapi qui gère le réseau d’eau et rapatrier des données de comptage ‘’LoRa’’ dans l’application.

Même problématique pour Codra, éditeur de Panorama. « Panorama agrège des données provenant de produits communicants hétérogènes (loggers, capteurs communicants,…) souvent connectés à leur propre portail, avec chacun leur login et leur mot de passe. Nous sommes compatibles avec le réseau SigFox, les portails LoRa comme Objenius [filiale de Bouygues Telecom] ou des protocoles de plus en plus utilisés en téléphonie 4G comme MQTT. Les fabricants vont probablement se baser sur ces protocoles » prévoit Jérôme Deyx, ingénieur technico-commercial chez Codra.

La supervision : centrale, distribuée, sur le cloud ?

Longtemps pièce centrale de systèmes d’information pyramidaux, le système de contrôle et d’acquisition de données en temps réel, ou scada (Supervisory Control And Data Acquisition) s’intègre désormais dans des architectures plus variées : scada “classique” local pour des systèmes fermés gérant des installations sensibles, scada sur cloud, scada comme SaaS, voire scadas en cascade pour faire de l’“hypervision”. Aboutissement des données issues des installations, la supervision les “digère” pour les présenter de manière compréhensible à un opérateur humain : courbes, journaux, synoptiques… Au-delà de cette fonction à sens unique (de l’installation à l’opérateur), les scadas permettent généralement à l’opérateur d’agir en retour sur le procédé. De plus en plus ouverts, ils exportent aussi les données vers des plateformes tierces capables d’en extraire une information “métier”.
Le central de télégestion PCWin2 de Lacroix Environment remplit toutes les fonctions d’un scada, pour les données remontant des data loggers ou postes de télégestion de la marque.

Copa Data, éditeur du scada Zenon dont la version 10 est sortie ce printemps, a pris en compte la “décentralisation” de la supervision, en tout cas de la circulation des données, en créant en 2019 le Zenon Service Grid (intégré dans la version 10 du scada). « C’est un logiciel qu’on peut installer dans le cloud ou un data center privé. On crée ensuite une connexion entre différents sites pour y “pousser” et centraliser les données. Il comprend une partie communication (MQTT), des bases de données, etc. » explique Jérôme Follut, dirigeant de Copa Data. La version 2022 de Panorama, éditée par Codra, sortira pour sa part à la fin de l’année 2021. « Il y aura un “client” web responsive pouvant adapter la représentation d’une installation au format du lecteur. On ne représente pas une STEP de la même manière sur un écran panoramique ou sur un smartphone » souligne Jérôme Deyx, de Codra.

Au-delà de la supervision, l’“hypervision” peut regrouper plusieurs scadas pour donner une vue générale d’un système plus vaste, par exemple l’ensemble captage/usine(s) d’eau potables/réseau de distribution/réseau d’assainissement/STEP(s) d’une collectivité. « Une collectivité peut souhaiter une hypervision pour synthétiser les informations terrain avec les données de pluviométrie, obtenir une vue globale, centraliser la remontée des alarmes, etc. On utilise pour cela la même plateforme logicielle – Topkapi – avec de "l'intelligence"  pour le traitement de la donnée, permettant de calculer des indicateurs clé de performance, déclencher des alarmes, faire de la maintenance prédictive, etc... » explique ainsi Arnaud Judes (Areal).

La plateforme “métier” de Suez Smart Solutions, AQUADVANCED® existe en plusieurs déclinaisons : réseaux, assainissement, etc. Ici le module “Réseaux d’eau” est exploitée à partir d’un PC portable.

Tout cela sans compter les architectures plus décentralisées où des postes centraux de télégestion comme le Sofrel PCWin2 de Lacroix ou la solution OEM Topkapi, développée par la société Areal en partenariat avec Perax Technologies, entre autres, font peu ou prou la même chose qu’un scada. La limite entre télégestion et supervision devient alors difficile à cerner. « Nos clients apprécient le côté "End-user" de notre superviseur Sofrel PCWin2. Il est parfaitement adapté pour le pilotage et le monitoring de leurs réseaux d’eau portable et d'eaux usées. Il leur permet d’être complètement autonome dans la configuration et la gestion du superviseur. PCWin2 intègre l'édition de synoptiques, effectue des traitements, horodate les données et les transforme en courbes et tableaux de bord pour faciliter l'interprétation des remontées terrain. De plus, Sofrel PCWin2 possède une ouverture SQL vers d'autres scada » explique Benoît Quinquenel (Lacroix). Installé sur un PC (relativement puissant tout de même), le Sofrel PCWin2 est interrogeable à distance, via html5, par des équipements nomades. « Il procure une très bonne vue du réseau grâce à un système de cartographie. Nous lançons ce printemps un nouveau module faisant de l’ “analyse métier”. Des pointeurs de couleurs figurent l’état (normal, en difficulté, alerte…) de chaque poste local ou data-logger. Pour chaque point, on peut afficher jusqu’à cinq informations (débit, pression, etc.) au choix comme indicateur de l'état courant du site. La donnée qualifiée dès ce 1er niveau d'information aide à la visualisation et la compréhension du réseau. Pour une meilleure visualisation il est possible d'afficher, en plus des points télégérés, des calques de ses zones ainsi que les tracés des conduites ou des collecteurs sur la carte zoomable  », ajoute Benoît Quinquenel.

« Du fait de la grande variété des protocoles télécommunication, en particulier pour la télégestion, il est important de pouvoir s'appuyer sur un scada de gérer cette diversité » estime toutefois Pierre Sacareau, directeur de projet chez Suez Smart Solutions. Le débat n’est pas clos…

Interne/externe : une frontière de plus en plus poreuse

Où s’arrête la supervision et où commence l’exploitation des données par des applications “métier” pour en extraire de l’information aidant à la gestion ? Cela se fait-il en interne ou en recourant à des services extérieurs ? La frontière devient floue, ne serait-ce que parce que le scada est par construction la porte de sortie des données vers ces couches métier. Cela incite les éditeurs de scada à préparer l'exploitation des données… voire à en réaliser certaines étapes.

« Nous avons des partenaires qui proposent des outils de suivi et de gestion énergétique des installations par exemple. “Détenant” les données brutes, nous proposons des connecteurs informatiques facilitant l’interfaçage entre notre solution et ces outils tiers pour la mise à disposition de ces données. Mais nous essayons aussi de rendre la supervision de plus en plus intelligente » affirme Arnaud Judes (Areal). Topkapi peut ainsi, par exemple, se connecter au portail de données Vigicrues. « Des clients comme la collectivité de Valence nous demandent de combiner les informations de terrain (réseau d’assainissement) avec la pluviométrie à venir. Grâce à son connecteur, Topkapi s’interface avec un portail de données via une API. Cela permet de combiner des données provenant de différentes sources et de construire des indicateurs de pilotage » complète-t-il.

De nombreuses applications sont possibles avec ICMLive. En voici une liste non-exhaustive : de la prévision des crues, à la prévision des pollutions par rejets dans les milieux naturels, jusqu’à la gestion opérationnelle proactive des réseaux eaux usées/eaux pluviales ou des équipes terrain.

Codra poursuit la même stratégie : la société ne fournit pas à proprement parler de solutions “métier” mais doit ouvrir son scada. « Avec H2 Cloud, nous proposons un SaaS qui permet d’exporter les données du superviseur dans un data historian localisé sur un cloud Codra. Il est hébergé en France, sécurisé et cloisonné. Nous pouvons ensuite construire des tableaux de bord avec une connaissance métier. Nous en proposons 50 d’origine mais un intégrateur ou bureau d’étude peut très bien construire son propre tableau de bord et mettre en évidence certaines données à travers le sas de Panorama » explique ainsi Jérôme Deyx. Même ouverture chez Copa Data, éditeur de Zenon. « Nous avons travaillé aussi sur le data mining, l’exploitation des données pour en tirer une signification. Il faut y penser dès la mise en place du système d’information et créer une architecture qui le permette. Nous pouvons fournir des API pour que des services web extérieurs puissent “piocher” dans nos données pour les analyser » explique ainsi Jérôme Follut.

La solution Citect Scada, proposée par IP Systèmes offre quant à elle aux opérateurs une nouvelle façon de construire une visualisation scada contextuelle. L’interface pilotée par l’équipement délivre un contexte situationnel holistique en temps réel pour aider l’utilisateur à améliorer l'efficacité et faciliter la prise de mesures correctives afin d’atténuer les risques et les temps d’arrêt opérationnels.

La « couche métier », domaine d’acteurs spécialisés

C’est là qu’a lieu, en principe, l’exploitation des données : les calculs, voire le recours à l’intelligence artificielle pour en tirer des informations et des aides à la décision. « Les grands syndicats ou collectivités ayant des compétences ont depuis longtemps développé leurs propres solutions. Noréade (Nord), Eaudazur (Nice), Angers, Strasbourg (SDEA), entre autres, utilisent ce type de systèmes » expose Franco Novelli, expert technique du Cycle de l’eau à la FNCCR. C’est aussi le domaine d’éditeurs spécialisés, souvent des bureaux d’études connaissant bien les problématiques de l’eau, comme Artelia, Cetec Ingénierie, http Project, Purecontrol, Setec Hydratec ou de sociétés comme Suez Smart Solutions.
Première étape indispensable à l’exploitation des données : les valider. « Si une plateforme métier s’appuie sur des données de mauvaise qualité, elle donne des “résultats” inutilisables » rappelle Pierre Sacareau. Toutes ces plateformes possèdent donc, à l’entrée, une couche de data management : validation critique, normalisation, resynchronisation, ré-échantillonnage, etc. Le tout, autant que possible, sans perdre la donnée brute.
Perax Technologies propose un ensemble de solutions de supervision adaptées à chaque besoin : plateforme logicielle Topkapi, supervision web simplifiée (comme illustrée dans l'exemple ci-dessus) ou plateforme IoT PeraxIoT.

Suez Smart Solutions propose une gamme de plateformes logicielles, les AQUADVANCED®, qui couvre tout le cycle de l’eau. « Les solutions AQUADVANCED® peuvent s’intégrer à n’importe quel contexte, traiter les données des scadas les plus « ésotériques » ou s’installer dans des usines sur des infrastructures existantes très variables d’un site à l’autre. L’idée est de mettre de l’intelligence artificielle au service du procédé » affirme Pierre Sacareau. Par exemple, en STEP, AQUADVANCED® propose des outils pour piloter l’aération, l’injection de réactifs ou la digestion anaérobie. « Nous récupérons les données du scada et parfois nous rajoutons des capteurs de NH4, O2 dissous ou autre paramètre. Les moteurs d’apprentissage d’Aquadvance ajustent petit à petit la consigne d’injection d’air pour s’adapter aux effluents d’entrée et de sortie, de même pour l’injection de réactifs ou le pilotage de la digestion anaérobie. AQUADVANCED® calcule également des indicateurs de performance (énergétique, financière…) » énumère Pierre Sacareau. Tout cela pour le pilotage en temps réel. Pour la gestion en temps différé, les plateformes comme AQUADVANCED® peuvent récupérer, par API ou échange de fichiers, des données provenant de sources tierces, payantes ou en open data. « Nous importons par exemple les prévisions météorologiques, ou les résultats de plateformes spécialisées dans l’optimisation énergétique. Cela alimente le logiciel AQUADVANCED® pour cibler les actions à mener et calculer des indicateurs » explique Pierre Sacareau.

Le système ICMLive, d’Innovyze distribué en France par Geomod, vise aussi la prévision des comportements des réseaux eaux usées/eaux pluviales ou des cours d’eau en couplant les observations de pluie et de télémétrie (position des ouvrages, niveaux, débit, etc.) à des modèles de prévision météo comme Arome ou Arpege. Outre le fait d’anticiper la réaction des réseaux ou cours d’eau avant l’arrivée d’un événement, le système permet aussi de tester des modifications de gestion, d’en évaluer les scenarios afin de prendre des décisions sur la base de données tangibles.

Bien que plus orienté vers la recherche de fuites et la gestion patrimoniale des réseaux, Altereo propose aussi des solutions pour la gestion opérationnelle. « Nous avons développé un système capable d’identifier les gisements d’énergie sur le réseau d’eau. Ce système « intelligent » modélise le comportement hydraulique du réseau et repère les endroits les plus adaptés pour installer des microturbines. En fait, tout est imaginable » estime Christian Laplaud.
De son côté, la société Purecontrol a développé une plateforme qui, en combinant les facteurs internes et externes, est en capacité de maximiser l’efficacité énergétique, de prédire et d’anticiper les besoins énergétiques des installations.

Après les usines et les réseaux d’eau potable, au tour de l’assainissement ?

Si les installations centrales, comme les usines d’eau potable ou les STEP, sont en général déjà pourvues de systèmes d’information performants, il n’en va pas forcément de même pour les réseaux, où de nouvelles possibilités se font jour. C’est particulièrement vrai en assainissement car l’instrumentation de ces réseaux a démarré plus récemment qu’en eau potable (où la recherche des fuites a été un facteur déclenchant). « L’assainissement a encore beaucoup de progrès à faire en termes de surveillance des réseaux, notamment pour le déversement d’eau usée non traitée vers le milieu naturel, surtout par temps de pluie. Des capteurs, de nouvelles technologies aident à remonter des données sur ce point, et à intégrer des données extérieures comme la météo » avance Franco Novelli (FNCCR).

« L’instrumentation des réseaux assainissement est une des pistes intéressantes à suivre » abonde Pierre Sacareau (Suez Smart Solutions). Il cite par exemple l’installation de capteurs d’encrassement et d’avaloirs connectés donnant une vision plus juste du réseau et permettant d’anticiper les colmatages. « Ces systèmes permettent de mieux orienter l’intervention : au bon endroit, au bon moment, avec la bonne action. C’est un vrai sujet opérationnel, impliquant de l’IA, etc... » souligne-t-il. Il devient aussi possible de piloter en temps réel le réseau d’assainissement en l’utilisant comme élément de stockage temporaire. « On donne à AQUADVANCED® un modèle hydraulique du réseau, les données en temps réel de la supervision ou les données météo. La plateforme fait “tourner” tout ça et un optimiseur ressort des consignes à appliquer à un moment donné, un endroit donné, sur une pompe, une vanne… » explique Pierre Sacareau. Il cite pour exemple le projet Mages (Modèle d’Aide à la Gestion des Effluents du SIAAP) mais aussi les villes de Bordeaux, Marseille ou Singapour, qui ont adopté ce type de solution.

La donnée : comment et pourquoi ?

Tous les intervenants y insistent : avant même de concevoir et développer un système de traitement de l’information, il faut prendre en compte des questions comme la sécurité ou la propriété des données. La cybersécurité reste la principale préoccupation des utilisateurs, d’autant que la circulation des données – même cryptées - sur des réseaux de communication publics implique de redoubler de précautions. « La sécurisation de la communication ne doit pas être un frein à l'interopérabilité des systèmes, qui est une condition indispensable pour un maillage total des objets connectés et du partage des données », rappelle Alain Cruzalebes. C'est pourquoi Perax Technologies a choisi d'une part d'utiliser OpenVPN, une solution standard, ouverte et qualifiée par l'ANSSI pour sécuriser les échanges de données des automates de télégestion et des automates industriels existants sur site et travaille actuellement sur l'implémentation du protocole MQTT ainsi que de sa couche sécurisée TLS permettant le chiffrage des données.
La version 10 du Scada Zenon prend en compte la décentralisation de la supervision. 

« La couche de l’automatisme, qui inclut la télégestion, est un niveau clé pour la sécurité. La partie automatismes/télégestion est un élément clé en matière de cybersécurité. Elle doit être déployée en conformité avec deux grands cadres normatifs : la loi de programmation militaire pour l’eau potable, considérée comme “d’importance vitale” par l’ANSSI et les directives européennes NIS (network infrastructure security) pour l’ensemble. Les protocoles de communication doivent être sécurisés dans les deux sens. Le protocole DNP3, en particulier, fait son chemin » explique Pierre Sacareau (Suez Smart Solutions). « Jusqu’à présent, beaucoup d’opérateurs faisaient circuler leurs données sur des VPN. Nous avons donc développé le Zenon Service Grid, un “hub”, qui fonctionne également comme identity provider. On ne passe plus par un VPN mais par ce service qui récupère toutes les données provenant d’une installation. Cela limite les connexions entrantes » explique Jérôme Follut, de Copa Data.

Si la gestion d’installation distribuées comme les réseaux implique d’envoyer les données “dans la nature”, avec les précautions qui s’imposent, il n’en va pas de même pour les installations localisées comme les usines d’eau potable ou les STEPs. « Les scadas sont alors des systèmes plus fermés, communicant avec beaucoup de précautions vers l’extérieur (la bureautique de l’opérateur par exemple). Il s’agit de limiter toute intrusion depuis la bureautique vers l’outil industriel » souligne Franco Novelli. C’est particulièrement important pour les usines d’eau potable, installations d’importance vitale.
Autre dimension essentielle : la propriété des données. « Les grands opérateurs ont développé en interne des systèmes très performants d’exploitation des données, qu’ils proposent à leurs clients (privés ou collectivités). Cela pose, au moins en théorie, la question de la propriété : les données doivent légalement revenir à la collectivité en fin de contrat. Les collectivités ont tout intérêt à maîtriser le sujet, qu’elles utilisent ces systèmes propriétaires ou des outils open… » prévient Franco Novelli. Pierre Sacareau (Suez Smart Solutions) confirme : « la donnée, où qu’elle soit, est en France la propriété de la collectivité. Souvent, les donneurs d’ordre demandent qu’on déploie des systèmes d’information métier intégralement réversibles, de manière à pouvoir tout reverser à la collectivité en fin de contrat ».

Reste la question essentielle : à quoi tout cela sert-il ? Dans quel but collecter cette masse de données ? « Il s’agit de se poser les bonnes questions : que veut-on d’un système d’eau potable ou d’assainissement ? Les collectivités doivent d’abord identifier les points réglementaires, puis ce qui va et ne va pas dans leur infrastructure pour, ensuite seulement, orienter le déploiement des systèmes d’information vers les points à améliorer. Et non pas déployer des capteurs et faire remonter les données sans savoir qu’en faire si le problème n’existe pas » souligne ainsi Franco Novelli. 


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