L'électrification des usines de production d'eau potable a permis, depuis bien des années, des améliorations importantes de la conduite des installations.
Les moteurs électriques ont remplacé les machines à vapeur et les moteurs diesel, mais la conduite des équipements continuait d'être assurée à proximité des machines qu'il fallait surveiller.
Les progrès incessants de l'électricité industrielle ont permis d'assurer une meilleure fiabilité des installations, une sécurité accrue dans la production, ainsi qu'un allégement important des tâches grâce aux sécurités et aux asservissements réalisés avec des relais électromagnétiques.
La bonne coordination des fonctionnements aux différents stades de traitement, garant de la qualité de l'eau, a conduit à l'élaboration de postes de contrôle-commande centralisés auxquels sont connectées toutes les informations nécessaires à l'exploitation.
Les contraintes de maintien de la qualité de l'eau, compte tenu de la dégradation de l'eau brute, ont requis la mise en œuvre de nouveaux traitements toujours plus sophistiqués ainsi que des moyens de contrôle perfectionnés engendrant la prise en compte d'informations toujours plus nombreuses.
Parallèlement, l'avènement puis le développement de l'électronique et de l'informatique industrielle permettent d'envisager une nouvelle approche des problèmes de conduite des usines en vue de toujours obtenir une meilleure qualité et une plus grande sécurité.
Après une description brève des équipements actuels, principe et réalisation, des installations du SYNDICAT des COMMUNES de la BANLIEUE de PARIS pour les EAUX, nous déterminerons les buts recherchés par la mise en place des équipements futurs. Nous pourrons alors examiner comment les techniques et les matériels du marché s'appliqueront dans les installations et ébaucher le schéma futur du système de contrôle-commande.
1. — LES EQUIPEMENTS EXISTANTS
PRINCIPES GENERAUX
La production d'eau potable nécessite la mise en œuvre de plusieurs traitements — physiques, chimiques, biologiques —. Chacun requiert des équipements spécifiques regroupés en une unité fonctionnelle (UF) : nourricière, décanteurs, filtres, ozone, élévatoires...
Les paramètres nécessaires au contrôle-commande des équipements se répartissent en trois catégories :
Les signalisations : signalisations d'état des machines : marche, arrêt, défaut des groupes électro-pompes, vannes, compresseurs, grilles... La signalisation de défaut provoque une alarme lumineuse et/ou sonore.
Les mesures des différents paramètres significatifs du fonctionnement de l'installation : débit, pression, perte de charge, puissance, résultats d'analyses...
Les commandes des machines composant l'installation : groupe, vanne, grille, surpresseur... qui peuvent s'effectuer soit par tout ou rien : marche, arrêt — ouvert, fermé — soit progressivement : plus vite, moins vite.
Chaque UF doit avoir une autonomie totale de fonctionnement. Ceci nécessite des équipements locaux et un poste de commande.
EQUIPEMENTS LOCAUX
Ils doivent permettre les essais, le dépannage, la remise en service des équipements. Ceci entraîne la mise en place d'une visualisation des signalisations et mesures ainsi que des organes de commande.
De plus, la mise en œuvre du processus de traitement nécessite la bonne coordination des différentes machines ou éléments fonctionnels qui entrent dans la réalisation du traitement. Il en résulte des conditions de sécurité et des asservissements des différents éléments fonctionnels entre eux, qui sont réalisés par un ensemble de relais dénommé automatisme.
EQUIPEMENTS DU POSTE DE COMMANDE
La bonne marche de chaque unité fonctionnelle est assurée grâce aux équipements locaux mis en œuvre.
Les différentes unités de traitement se succèdent au fil de l'eau et doivent donc être coordonnées entre elles.
Cette coordination est assurée par un regroupement, dans un poste de commande, des informations nécessaires à l'exploitation, issues de toutes les unités composant l'usine.
Pour assurer la parfaite coordination nécessaire au bon fonctionnement, le personnel placé au poste de commande doit recevoir en permanence toutes les informations relatives à l'ensemble de l’usine : signalisations et mesures. Toutes les commandes doivent également pouvoir être émises.
CONCLUSION
Cette organisation hiérarchisée est une garantie de la sécurité de fonctionnement des installations. Les différents maillons du système sont doubles : ® Dans l'unité fonctionnelle : — visualisation des signalisations et mesures, — commande manuelle. ® Au poste central : — visualisation des signalisations et mesures, — commande manuelle.
REALISATION
Le schéma actuel de réalisation du contrôle-commande est représenté sur la figure 1.
On y trouve :
1. Les équipements locaux comprenant : — les capteurs d’états, de défauts et de mesures avec les visualisations et indications correspondantes, — les commandes locales,
— les coffrets, armoires ou tableaux selon l’importance des équipements qui contiennent les relais électromagnétiques assurant les sécurités et les asservissements (fig. 2 et fig. 3).
Il est à noter que la commande locale des éléments est doublée : l'une est placée au plus près de la machine, l'autre se trouve sur l'armoire d'équipement. Selon l'importance des équipements de l'unité fonctionnelle, les tableaux locaux comportent ou non un synoptique.
2. Une liaison entre les équipements locaux et le poste de commande, liaison assurée par des câbles multifilaires permettant de transmettre toutes les informations.
3. Les équipements du poste de commande comportant (fig. 4) :
- la visualisation des signalisations et mesures,
- les commandes.
II. — LES ÉQUIPEMENTS DE CONTRÔLE-COMMANDE FUTURS
LES OBJECTIFS RECHERCHÉS
Les distributeurs d'eau se doivent de fournir aux consommateurs une eau de parfaite qualité ; cette qualité doit pouvoir être contrôlée en permanence afin de s'assurer de son haut niveau.
L'eau, ainsi produite, doit être acheminée chez l'abonné en permanence tout en gardant la qualité obtenue en sortie d'usine, ce qui recouvre des objectifs de sécurité de distribution.
Enfin, les problèmes d'énergie, d'environnement, de qualité de la vie exigent sans cesse une amélioration et une optimisation de la gestion nécessitant non seulement le traitement instantané des paramètres d’exploitation, mais également l'utilisation de l'analyse statistique pour déterminer les lois de variations de ces paramètres et les corrélations les reliant entre eux.
Les traitements statistiques apportent enfin de précieux renseignements pour l'optimisation des équipements : détermination de la taille, de l'époque de réalisation.
Ces différents objectifs nécessitent la mise en œuvre, d'une part, de systèmes d’automatismes élaborés, d'autre part, de systèmes d'acquisition et de traitement de données.
LES SYSTÈMES D’AUTOMATISMES
Nous avons vu que les équipements existants comportaient des systèmes de sécurité et d'asservissement appelés automatismes. Il s'agit cependant d’automatismes simples se rapportant à chacun des éléments fonctionnels.
La mise en place d'automatismes élaborés va permettre de réaliser automatiquement la loi de fonctionnement non seulement d'un élément fonctionnel, mais de toute une unité fonctionnelle.
Afin d’éviter tout écueil, trois critères importants sont à prendre en compte qui sont la décentralisation, la hiérarchie, le secours.
— La décentralisation :
L'automatisation d'une usine ne doit pas être assurée par un système central très performant, mais par un ensemble de machines décentralisées au niveau des unités fonctionnelles constituant l'usine.
La concentration de l'ensemble des fonctions conduit en effet à la perte de tous les automatismes en cas d'indisponibilité de la machine.
La mise en œuvre d'une machine à haute performance requiert des études longues et minutieuses qui doivent être sans cesse reprises au fur et à mesure de l'évolution des procédés de traitement. Ces reprises, effectuées par un personnel spécialiste hautement qualifié, augmentent le temps d’indisponibilité du système.
Le développement de matériels d'automatismes de petite taille, mais aux performances cependant élevées, permet de rechercher la meilleure adaptation technologique à la dimension et à la complexité des lois qui régissent chaque unité fonctionnelle.
Les modifications mineures peuvent alors le plus souvent être effectuées sur le site par du personnel d'exploitation sans apporter de perturbations notables à la bonne marche de l'usine.
Les changements plus importants sont généralement réalisés par une reprogrammation complète du même matériel. Si l'étude du nouveau processus conduit à l’adoption d'un nouveau matériel (changement de taille ou de technologie), celui-ci peut être effec
tué sans engager une dépense importante et sans gêne pour l'exploitation.
— La hiérarchie :
Tout système d’automatisme doit être découpé en différents niveaux hiérarchiques ; nous en distinguerons trois.
Automatismes de niveau 1.
Il s'agit de la réalisation des fonctions de sécurité et d'asservissements des différents éléments fonctionnels. Ce sont en fait les automatismes réalisés dans les équipements existants à l'aide de relais.
Automatismes de niveau 2.
Des matériels plus performants relevant souvent de l'électronique permettent la réalisation de fonctions plus complexes intéressant l'ensemble d'une unité fonctionnelle : séquence de mise en marche ou d'arrêt des différents éléments, remplacement d'un élément défectueux par un autre, régulation... Il est ainsi possible de respecter la loi de fonctionnement d'une unité, par exemple pour la chloration : maintien d'un résiduel donné, en fonction du débit de l'eau et de sa demande en chlore. Les équipements de ce niveau transmettent au niveau 1 les ordres à exécuter par eux, selon les sécurités et les séquences qui y sont définies.
Ces deux niveaux d’automatisme interviennent directement sur les équipements locaux de l'UF. Ils réalisent ensemble l'automatisme de l'unité.
Automatismes de niveau 3.
Chaque unité fonctionnelle, dotée de son autonomie, ne doit cependant pas opérer sans s’occuper de celles qui sont en amont et en aval. La parfaite synchronisation des unités est effectuée par le niveau 3 qui se trouve donc installé au poste de commande.
— Le secours :
La permanence d'une bonne gestion des usines nécessite la mise en place de systèmes de secours.
Néanmoins, les principes de décentralisation et de hiérarchie exposés ci-dessus permettent d’assurer la sécurité avec un minimum d'équipement de secours.
Plus le niveau hiérarchique est bas, plus le secours doit être rigoureux. On conçoit en effet très facilement que la bonne coordination des UF puisse être assurée par le personnel de conduite en secours des automatismes de niveau 3 sans une dégradation sensible de la qualité et de la sécurité de la fourniture d'eau. À ce niveau, le secours est étudié en fonction des défaillances humaines et de l’amélioration des conditions de travail du personnel posté. Il n’en est pas de même au niveau 1 où la notion de secours conduira presque systématiquement à la mise en place d'un élément fonctionnel : pompe doseuse, groupe électropompe... supplémentaire, plutôt qu'au doublement de l'automatisme.
Pour ce qui est du niveau 2, il est plus difficile d’établir une règle générale. Les automatismes des UF étant de complexité très différente, il y aura lieu d'étudier cas par cas le degré de dégradation acceptable.
LES SYSTÈMES D’ACQUISITION ET DE TRAITEMENT DE DONNÉES
Un système d’acquisition de données est un système informatique qui permet la transcription en clair sur un écran de visualisation des informations contrôlées. Un clavier de dialogue associé à l’écran permet l’émission des commandes.
Un tel système n’intervient pas automatiquement sur le processus : c'est un matériel qui constitue par la rapidité de fonctionnement et par la grande concentration qu'il réalise (5 000 à 10 000 informations) une aide au personnel de conduite. Il se substitue en effet aux alignements de plus en plus importants des tableaux de nos postes de commande traditionnels.
Cette concentration est un facteur important de sécurité puisque le chef de poste dispose instantanément, sous les yeux, des informations qui l'intéressent à un instant donné et d’elles seules. Le système ne restitue en effet, d'une part que les informations dont l'état vient de changer et effectue d’autre part un classement des informations relatives à un élément fonctionnel ou à une unité fonctionnelle...
Ces systèmes permettent également de faire apparaître sur un écran de visualisation couleur le synoptique de telle ou telle partie détaillée des installations, synoptique continuellement mis à jour par les informations reçues par le système.
La console de dialogue et la console couleur sont complétées par une imprimante de consignation des états pour constituer les éléments puissants, souples, sûrs du poste de conduite normal (fig. 6).
Le traitement des données est un tout autre problème. Il s'agit d'un système informatique capable de stocker et de transformer un grand nombre de valeurs des multiples paramètres constitués par les mesures effectuées tout au long de la chaîne de production d'eau : débit, hauteur manométrique, temps de fonctionnement, énergie consommée, taux de traitement, résultats d'analyses...
Deux grandes familles d'opérations peuvent être effectuées sur ces valeurs.
La première famille regroupe les calculs relevant des résultats et bilans d'exploitation : débit moyen journalier, hebdomadaire, mensuel, énergie spécifique, taux moyen...
Ces calculs doivent être effectués au fur et à mesure de la collecte des informations et sortir systématiquement sur imprimante pour constituer les bilans journaliers, mensuels... encore appelés journaux d'exploitation.
La deuxième famille regroupe des calculs statistiques permettant des comparaisons d'évolution d'un paramètre en fonction de tel ou tel autre et sur des périodes qui peuvent être longues. Il s'agit en fait de calculs effectués non plus systématiquement, mais « à la demande » et selon les besoins des études à faire.
Les résultats de ces calculs permettent un approfondissement de la connaissance des processus de fonctionnement des usines. Il peut en résulter des améliorations des algorithmes de gestion des équipements existants.
De tels calculs effectués a priori permettent également de parfaire les études des nouveaux équipements : adaptation au traitement, taille optimale...
La très grande différence entre les deux familles de traitement de données conduit à ne pas en envisager l’exécution par le même matériel.
Un même matériel informatique regroupera l'acquisition des données et les traitements systématiques. Ce système est quelquefois tout simplement appelé unité de contrôle : UCO.
Par contre, le traitement à la demande qui nécessite un stockage très important de données sera réalisé par un autre système qui n’a pas besoin de travailler « on line ».
LES MATÉRIELS
Les relais.
Les relais — électromagnétiques ou statiques — sont des systèmes figés qui manquent de souplesse, compliquant ainsi les études et la mise au point et rendant difficile, longue et coûteuse toute modification pour une adaptation à un nouveau processus de traitement. L'encombrement nécessaire est important tant pour le matériel que pour le câblage. L'entretien est lourd et les incidents ne sont pas rares du fait du câblage. La fiabilité baisse pour des installations de plus en plus complexes. Leur emploi doit être limité aux automatismes simples de niveau 1.
Les régulateurs électroniques.
Ce sont des équipements destinés à maintenir la valeur d'un paramètre dit réglé à une valeur prédéterminée ou consignée, quelles que soient les perturbations subies par les paramètres d'entrée du système.
Ces appareils peuvent selon les cas s'adapter au niveau 1 s'ils agissent sur un élément fonctionnel, ou au niveau 2 si telle est la loi d'une UF.
Les calculateurs industriels.
Ces calculateurs sont dérivés des ordinateurs de gestion et adaptés aux processus industriels. Ils permettent la mise en œuvre d'algorithmes complexes nécessaires à l'optimisation des processus sophistiqués. La mise au point de ces algorithmes nécessite une analyse longue et détaillée du processus. La mise en œuvre sur le calculateur se fait par des spécialistes à l'aide de langages informatiques permettant d'élaborer le logiciel de fonctionnement. Toute réalisation ainsi que les modifications ultérieures sont longues et onéreuses. Cependant, la rapidité d'évolution de ces matériels, de leur logiciel et des langages de programmation, permet de penser qu’à plus ou moins brève échéance, un certain nombre de ces difficultés pourront être levées.
Des systèmes de taille modeste, encore appelés minicalculateurs, pourront éventuellement être utilisés au niveau 2 pour réaliser des fonctions complexes ; ce pourrait être le cas de la gestion optimisée des pompages des usines élévatoires principales.
Des machines similaires, munies d'un logiciel adapté, peuvent également être utilisées en tant qu'unité de contrôle pour l'acquisition des données et le traitement systématique. Elles paraissent également pouvoir effectuer les automatismes de coordination du niveau 3.
Les automates programmables.
L'automate programmable met toutes les ressources de l'informatique à la portée des électriciens pour réaliser de façon très simple les automatismes complexes. Il en résulte une grande souplesse de mise en œuvre due à la standardisation et à la modularité du matériel.
L’automate constitue un produit fini utilisable pour tout processus industriel. Il y a déconnexion complète de l'installation (raccordements) et de l'étude (programmation), ce qui conduit à une diminution du coût des études et du temps de réalisation.
Les installations obtenues avec ces matériels ne comportent plus de câblage fastidieux et les mises au point et modifications sont immédiates et sans intervention sur le matériel ; elles s'effectuent par modification du programme.
La maintenance est extrêmement simplifiée puisqu'elle consiste en un échange de carte ou de module.
La fiabilité des installations est accrue du fait de l'élimination des faux contacts du câblage et des relais.
L'automate programmable peut en fait être considéré comme un petit calculateur aux possibilités modestes. Seule une originalité magistrale l’en distingue : l’absence de logiciel faisant appel au langage informatique. Le langage des automates est celui des électriciens.
Cet appareil, développé depuis 4 à 5 ans au niveau industriel, semble tout à fait indiqué pour la réalisation des équipements locaux des unités fonctionnelles. Il remplace le relayage de sécurité et d'asservissement tout en permettant la mise en œuvre de fonctions plus complexes réalisées par les régulateurs électroniques. Il peut également effectuer de nombreuses fonctions de calcul permettant d’assurer le fonctionnement entièrement automatique de nombreuses unités fonctionnelles.
Cet appareil apparaît donc comme pouvant réaliser les automatismes de niveau 1, même s'ils sont un peu complexes, mais aussi ceux de niveau 2. Dans certains cas, et moyennant l’étude des systèmes de secours adaptés, il pourrait réaliser à lui seul les niveaux 1 et 2 des équipements locaux.
Une autre particularité de l'automate est de permettre la réalisation de télétransmissions qui acheminent vers les postes de commande les informations des unités fonctionnelles éloignées ou des usines secondaires de pompage disséminées dans le réseau.
Une usine secondaire peut être considérée comme une unité fonctionnelle décentralisée. Elle doit avoir son autonomie. Les équipements locaux sont généralement réalisés, actuellement, avec des relais électromagnétiques (fig. 7).
Une étude a montré que les considérations développées plus haut au sujet des automates programmables étaient parfaitement applicables pour ces usines. Cette étude a également mis en lumière une autre possibilité d'utilisation des automates programmables.
Les informations actuellement issues des automatismes à relais sont introduites dans l'appareillage de télétransmission. Celui-ci effectue au niveau de cartes d'entrées-sorties une mise en forme qui consiste en une numérisation, un adressage et une mémorisation. L'information ainsi traitée pourra ensuite, grâce à un modem, être transmise sur une ligne P et T.
Le processus inverse est effectué sur l’appareillage homologue du poste central.
Or, l’examen du fonctionnement de l’automate programmable montre que le travail de mise en forme des informations est déjà assuré sur les cartes d'entrées-sorties de l’automate.
Il vient donc immédiatement à l'idée de regrouper les deux appareils en un seul, l'automate, et de leur connecter un modem à une ligne P et T.
On obtient ainsi un système intégré qui assure à la fois les automatismes locaux et les télétransmissions.
Au poste de commande, un modem et un automate similaire assureront la restitution des informations. Cette restitution peut se faire directement sur un ensemble de périphériques conversationnels comprenant console de visualisation, clavier de dialogue et imprimante de consignation (fig. 8).
Compte tenu du haut degré d’intégration de cette utilisation, les dispositifs de secours sont à étudier minutieusement.
Les microprocesseurs.
Ce sont, en fait, des minicalculateurs travaillant en ambiance industrielle, aux possibilités limitées notamment quant au nombre de paramètres traités.
Ces appareils mettent à profit les performances élevées des calculateurs. Ils nécessitent cependant l'intervention de spécialistes informaticiens pour leur mise en œuvre et leur maintenance.
Leurs possibilités sont souvent trop grandes et donc mal exploitées pour les problèmes courants.
Néanmoins, une application a été développée dans le domaine particulier de l'optimisation du traitement de stérilisation par l’ozone. Le but recherché est le maintien d'un résiduel virulicide au meilleur coût de production. Le système réalise, à partir des différentes mesures effectuées, le calcul des paramètres de fonctionnement à émettre pour aboutir au maintien constant du résiduel. Les ordres issus du microprocesseur sont acheminés vers les équipements de relayage qui les transmettent aux actionneurs.
Dans le cas d'une unité fonctionnelle dans laquelle le relayage serait remplacé par un automate programmable (niveau hiérarchique 1), le microprocesseur peut assurer le pilotage de l'automate (niveau hiérarchique 2).
LE SCHÉMA FUTUR
L’étude des matériels nous a montré les différentes possibilités d'utilisation dans les usines de production et de pompage.
Les principes de décentralisation et de hiérarchie permettent la mise en place progressive des différents systèmes d’automatismes au fur et à mesure de la construction des nouvelles unités fonctionnelles ou des modifications des unités existantes.
Cette mise en place d’équipements multiples mais légers permettra également l'adoption de nouveaux matériels n'ayant aujourd'hui aucune référence industrielle.
L’évolution vers le schéma futur est indiquée sur la figure 9 qui reprend quelques types d’équipements qui seront susceptibles de coexister. On y retrouve :
- — des équipements locaux à relais sans automatisme de niveau 2 avec des tableaux traditionnels pouvant être connectés à une UCO ;
- — des équipements locaux à relais avec automatismes par microprocesseur, mais reliés au PC par liaison multifilaire complète branchée sur des tableaux traditionnels connectés à l'UCO ;
— des équipements locaux intégrés avec automate programmable (fig. 10) et transmission codée par modem, doublée d'une transmission multifilaire allégée. Les connexions au PC se font directement à l'UCO pour la transmission codée et à un tableau traditionnel allégé de secours pour la liaison multifilaire ;
— des équipements locaux avec automate piloté par microprocesseur dont les liaisons au PC sont les mêmes que ci-dessus ;
— des usines secondaires à relais avec transmissions classiques (installations existantes) connectées à des tableaux traditionnels dont le raccordement à l'UCO sera très difficile, voire impossible ;
— des usines secondaires avec équipements intégrés par automate programmable assurant automatisme et télétransmission permettant d’avoir au PC des périphériques informatisés et une connexion possible sur UCO.
Enfin, le schéma reprend le terminal de traitement de données. La connexion à l'UCO permet de transiter directement et automatiquement les informations pour le stockage et le traitement statistique.
CONCLUSION
Les nouveaux matériels d’automatisme et de traitement de données permettent d’envisager une modernisation importante des systèmes de contrôle-commande des usines de production et de pompage d'eau potable.
La diversité des matériels et aussi leur évolutivité, la sécurité et la qualité de la gestion recherchée amènent à la conception d’un schéma d'automatismes décentralisés et hiérarchisés.
Le schéma établi se prête à la mise en place progressive des équipements. L’étude détaillée de chaque cas permettra de retenir le matériel le mieux adapté.
Dans les installations du SYNDICAT des COMMUNES de la BANLIEUE de PARIS pour les EAUX, la mise en place prévue à brève échéance d’unité de contrôle dans les postes-commande permettra les modifications progressives des équipements et l’adaptation du personnel.
J. FONTAINE et M. DUGAY.
