Situés au coeur de l'automatisation des procédés, les automates programmables deviennent de véritables objets communicants contribuant à la montée en puissance de la télégestion. Avec, en filigrane, des progrès en terme de traçabilité.
Caractérisé par des procédés toujours plus complexes et une architecture de plus en plus distribuée, le traitement de l'eau nécessite des solutions adaptées. Parmi celles-ci, l’automatisation des procédés en est une. Devenue incontournable, sa première fonction est de supprimer des tâches répétitives pour l’opérateur, en installant des actionneurs ou en motorisant certains éléments de manœuvre par exemple. Elle vise aussi à améliorer la qualité du traitement par une meilleure régulation, tout en accroissant la sûreté du fonctionnement par la mise en place d’équipements de secours permettant à l'installation de fonctionner en cas de panne d'un organe.
Au cœur de ces dispositifs composés d’organes moteurs, de parties opératrices, de capteurs, d’actionneurs et d’une partie commande, les automates programmables jouent aujourd'hui un rôle primordial.
Ces automates peuvent gérer toutes les phases du traitement. Ils sont programmés pour effectuer des opérations cycliques. Les données reçues par leurs entrées sont ensuite traitées par un programme approprié, puis le résultat obtenu est délivré par leurs sorties. En fonction de leur programmation, ces automates reliés aux capteurs de la station assurent la gestion des actionneurs, effectuent la totalisation de débits et le cumul des heures de fonctionnement de chaque équipement. Ils génèrent encore les alarmes lorsqu'ils détectent des situations anormales, ou mettent à jour une base de données résumant l'état de la station. De nombreux avantages découlent de l’utilisation d’automates programmables.
Anticiper les besoins
Parce qu'ils permettent le découpage des tâches au plus près des opérations de traitement, les automates offrent une vision précise du fonctionnement de la station. Au fil des années, leur mise en œuvre a beaucoup évolué : leur programmation est plus simple, ils s'installent en réseaux et communiquent avec les autres équipements. Les constructeurs se sont attachés à développer des systèmes évolutifs, souples et compatibles avec les différents réseaux locaux. Dotés d’une grande capacité de stockage d’informations, répartis au plus près des équipements, ils rendent possible la collecte d'une très grande quantité de données.
Mais si de telles évolutions génèrent d'importantes améliorations au quotidien, le déploiement d’automates nécessite de revoir la conduite de process dès le projet. « Avec la montée en puissance de l'automatisation, l’installation doit désormais être pensée très en amont afin d’éviter tout dysfonctionnement, et donc tout coût supplémentaire lié à des interventions », indique Antony Nguyen, chef de groupe de produits au département automation et informatique industrielle chez Factory Systemes. « Avec le temps, le coût du matériel est ainsi devenu marginal comparé aux coûts de déploiement ».
C’est également dès cette étape qu'il faut faire le choix d'un automate. « Plusieurs critères doivent être pris en compte, souligne Philippe Charpentier, Rockwell Automation, à commencer par l’évolutivité et la pérennité des équipements installés car les ouvrages de gestion de l'eau sont bien sou-».
De plus, grâce à l’électronique, leur maintenance est simplifiée.
Souvent construits pour de longues années, il est donc indispensable de pouvoir garantir la pérennité des systèmes installés et de pouvoir faire évoluer les équipements de façon souple et rapide. Le coût de possession des équipements est aussi un critère important pour l’exploitant. Il inclut le coût d’achat, la formation, la maintenance et les développements futurs que nécessiteront les besoins de demain.
Au plan technique, l’automate devra harmoniser les besoins entre l’application et le nombre d’entrées/sorties requises, les protocoles de communication nécessaires ainsi que la taille approximative du programme automate pour commencer. Offrant un gain de place de par leur faible encombrement et réduisant les coûts de câblage, les micro-automates sont installés au plus près du process. À l’image de la nouvelle série CP1L d’Omron ou encore du SIMATIC S7-200, développé par Siemens, qui constitue une solution économique pour les applications d’entrée de gamme. Ce micro-automate a déjà fait ses preuves dans des stations d’épuration. Sa programmation particulièrement confortable permet de réaliser rapidement des applications simples. Le concept de boîte à outils logiciels rend le travail encore plus convivial. La suite logicielle CX-One d’Omron offre également une programmation simple et familière qui permet de construire, configurer et programmer rapidement API, IHM, réseaux, variation de fréquence et contrôle d’axes, régulateurs de température et capteurs.
Privilégier la polyvalence
Plus haut dans la gamme, les automates séquentiels, multiparamétriques peuvent s’acquitter de tâches complexes comme du dosage ou des analyses. Thermo Fisher Scientific propose ainsi un automate dédié à l’analyse photométrique pour la chimie des eaux, des effluents et des sols. Ce modèle Aquakem permet d’automatiser économiquement et rapidement les analyses physico-chimiques de routine nécessaires dans les laboratoires de contrôle-qualité et les stations industrielles de traitements d’eaux. Il assure par exemple le suivi des analyses de nitrates, nitrites, chlorures, sulfates, ammoniac, fer, silice, phosphates, calcium, magnésium… etc.
De nombreux fabricants sont présents sur le marché des automates programmables, comme ABB, Advantech, Crouzet, Phoenix Contact, Rockwell, Siemens, GE Fanuc, Beckhoff et National Instruments. Schneider Electric, qui a choisi de développer une
Le Wifi pour optimiser l’exploitation de l’usine d’épuration des Grésillons
Le site des Grésillons à Triel-sur-Seine (78), l'un des plus modernes de France, permet le traitement des effluents de 18 communes des Yvelines et du Val-d'Oise. C’est aussi un modèle d’automatisation intégrée. Il s'agit de la seule station d’épuration capable de fonctionner sans personne à l’intérieur, simplement avec un personnel d'astreinte, ce qui est le cas le samedi et le dimanche, ainsi que 8 heures par jour. En cas d’alarme, les techniciens peuvent se connecter par Internet à la même interface de gestion de production pour obtenir un premier diagnostic.
Sa réalisation a été confiée à Stereau et à ETDE pour la partie courants faibles.
L’épuration de l'eau est un processus exigeant. Il implique un contrôle temps réel de très nombreux équipements. La première partie de l'usine implique déjà plus de 4 500 entrées/sorties physiques et 25 000 variables, toutes intégrées sur des réseaux Ethernet industriels qui vont de la salle de commande aux entrées/sorties. Le choix de mettre en œuvre un réseau Wifi et de supprimer les pupitres de commande a été fait par souci de cohérence de l'exploitation. Toute opération liée à l'exploitation est ainsi réalisée par une interface de gestion de production unique, autant disponible de la salle de contrôle que pour les opérateurs sur le site. Les procédures sont ainsi guidées et prises en compte en temps réel sur l'ensemble du système d’exploitation. Par ailleurs, les techniciens sur le site peuvent se placer au plus près des équipements à traiter, sans avoir à dépendre de la position d’un pupitre de commande.
« Notre objectif était de passer un cap en termes d’automatisation et de cohérence de l’exploitation », précise Louis Claire, responsable du projet au sein de ETDE. Quarante-sept points d'accès Wifi FL WLAN de Phoenix Contact permettent la couverture de ce site de 24 hectares. En plus du gain en termes de mobilité, le réseau Wifi a permis à ETDE de faire bénéficier l'exploitation d’une accessibilité beaucoup plus large en réduisant le câblage correspondant. « Nous avions besoin d'une solution conforme à l'exploitation industrielle tant en termes de performances que de résistance aux environnements sévères », précise Louis Claire. Plusieurs points d'accès sont en extérieur et la transmission à l'intérieur des bâtiments doit faire face à d’épais murs de béton et leur structure métallique. Ces équipements offrent un débit de 54 Mbit/s sur une portée de quelques centaines de mètres. Le schéma d'implantation a été réalisé et validé avec les équipes de Phoenix Contact, qui ont aussi effectué les tests sur place. La mise en œuvre a été immédiate.
Approche par métiers, Schneider Electric développe le Modicon 340, un automate programmable milieu de gamme polyvalent.
Conçu pour les machines industrielles, les procédés d'infrastructure, ainsi que la gestion technique centralisée, il s’adapte à trois architectures : compacte, modulaire ou distribuée. Il est équipé d’un processeur, d'une mémoire interne et d’un processus de sauvegarde, ainsi que d'une carte et de services « Plug & Load » permettant de mettre à jour une application, de transférer très simplement des programmes et de stocker des données.
Priorité également à la polyvalence pour Rockwell Automation avec la plateforme Logix et son architecture intégrée, avec CompactLogix pour les applications machines simples et ControlLogix pour les applications plus complexes. « Avantage de cette plateforme : sa base de données unique, précise Philippe Charpentier. Ainsi, un objet défini avec ses éléments associés en un point de l'architecture sera disponible en tous points de cette architecture. C’est du temps gagné pour l’intégrateur qui pourra développer parallèlement ses systèmes électriques et pour l'exploitant dont l'application sera opérationnelle plus rapidement. » Un seul outil logiciel, le RSLogix 5000, est commun à tous les automates de la plateforme Logix. « C’est un gain important en termes de temps de formation aussi bien pour le personnel exploitant que pour la maintenance », souligne Philippe Charpentier. Côté supervision, un seul éditeur suffit pour développer toutes les interfaces opérateur.
Vers plus de communication
Pour autant, plus que les performances point à point, ce sont les capacités de communication entre automates qui deviennent aujourd’hui décisives. « Dans des architectures de plus en plus distribuées, l’intelligence répartie implique des transferts de données importants, c'est pourquoi la mise en réseau est depuis quelques années la véritable tendance au sein de la nouvelle génération d’automatismes », indique Jean-Marie Rouault, chef de produits pour la Division Automatisme & Entraînement chez Siemens. Si jusqu’à présent les automates communiquaient entre eux via des bus de terrain, la démocratisation des puces Ethernet a permis d’améliorer l'interconnexion entre automates et donc de mettre en place de nouveaux services : journaux d’événements, configuration mise à jour à distance et traçabilité, une dimension aujourd’hui capitale. Encadrées par des textes communautaires et précisées localement par un arrêté préfectoral d'autorisation de rejet, les performances épuratoires à atteindre se doivent en effet d’être fiables et continues. « Une station doit être capable de préciser à tout moment l'état du réseau, d’où le besoin d'une gestion sûre et en temps réel », précise Thierry Schoutheer, ingénieur applications & projets chez Factory Systemes.
Ainsi les installations bénéficient-elles de technologies de pointe pour assurer la continuité du service rendu : mesures en continu de nombreux paramètres avec enregistrement des mesures, prélèvement automatique d'échantillons, analyses régulières sur les eaux avant et après traitement.
Avec le déploiement d’automates situés au plus près du process, ce sont de plus en plus d'informations qui transitent via les réseaux de communication pour venir atterrir au niveau des postes de supervision. De là, les opérateurs peuvent ensuite agir à distance en modifiant les paramètres des automates programmables. Ainsi, la connexion des automates SIMATIC S7-300 via des processeurs de communication permet leur intégration directe dans Industrial Ethernet. Les processeurs de communication sont pour leur part multiprotocoles. Avec les trois ports de communication de son processeur, le Modicon M340 permet de son côté de programmer des applications via un port USB ou Ethernet et d’accéder à ses machines via un modem ou une liaison ADSL standard. Il offre également la possibilité de programmer en ligne, de transférer des programmes et d'accéder à des fichiers de données. Enfin, son serveur Web embarqué facilite l'exploitation d'une application ou sa maintenance à distance. Il est aussi compatible avec l'ensemble des solutions d'automatismes Schneider Electric, de la commande à la supervision, du contrôle à l'acquisition d'informations machines.
Disposant de fonctions similaires, les automates VIPA permettent d’augmenter la rapidité et la précision des machines avec le processeur Speed7, d'ouvrir les équipements sur de multiples bus de terrain et de simplifier l'intégration des machines avec la supervision (Ethernet intégré). Ils disposent également de fonctions supplémentaires comme le Webserveur, la gestion d'alarme, la configuration à distance et le transfert de fichiers. Autre avantage, le fait que toutes les CPU VIPA se programment avec STEP7 de Siemens ou WinPLC7 de VIPA via Profibus ou Ethernet.
L’architecture de réseau ouvert NetLinx de Rockwell Automation assure de son côté une communication transparente entre les couches équipements, commande et information via les réseaux DeviceNet, ControlNet et Ethernet. « L’utilisateur peut ainsi se plugger n’importe où sur l’architecture et avoir aussitôt tous les éléments très facilement et sans la moindre programmation » assure Philippe Charpentier. Autre avantage de ce type d'architecture, la possibilité d’obtenir des diagnostics évolués pour détecter d'éventuels problèmes avant l’arrêt de la production : surcharge moteur, signature vibratoire anormale, etc.
Développement de la télégestion
L'intérêt majeur des technologies Internet dans les automatismes est lié à la télégestion. Il est techniquement possible aujour-
Simplifier et uniformiser les interfaces
Spécialisée dans les automates de sécurité, la société Pilz est présente dans les applications environnementales. Ces automates sont souvent en liaison avec des automates process et des supervisions et doivent donc offrir de grandes capacités de communication, ce qui est le cas puisque ces automates sont compatibles Profibus, Ethernet, Interbus, DeviceNet, Control Net, Modbus... Ce qui permet d'améliorer les échanges inter-automates, la télégestion, le diagnostic...
Grâce à de nouvelles têtes de station, Pilz propose avec l'automate PSSuniversal une solution universelle qui satisfait à toutes les exigences en matière de communication et permet l'intégration économique de l'ensemble des périphériques d'entrée et de sortie. Jusqu'à présent, le raccordement des bus Profibus-DP, DeviceNET ou CANopen n'était réalisable qu’en combinaison avec le bus de sécurité SafetyBUS p. Grâce aux nouvelles têtes de station standard utilisées, il est maintenant possible d'utiliser des entrées et des sorties standards analogiques et numériques sur les bus de terrain et ce, sans liaison fonctionnelle avec le circuit de sécurité.
Cette plate-forme devient ainsi une solution universelle. Trois possibilités s'offrent aux utilisateurs : ils peuvent la mettre en œuvre dans des applications exclusivement de sécurité, dans des applications combinées de sécurité et standard ou encore pour des tâches de commande classiques ou standards. La possibilité de réaliser l’éventail complet des fonctions nécessaires au moyen d'une seule plateforme de commande constitue un avantage certain. En effet, il est dans l'intérêt des concepteurs, des exploitants et des techniciens de maintenance de pouvoir intégrer la totalité des périphériques d'entrée et de sortie dans un système unique. Cette simplification et uniformisation des interfaces va dans le sens de la standardisation. De plus, les utilisateurs peuvent se concentrer sur une seule plate-forme lors de la planification, mais aussi pour le stockage et l'ensemble du processus d'approvisionnement, au lieu de devoir se pencher sur plusieurs systèmes de différents fournisseurs. Le PSSuniversal prend en charge les fonctions de commande de sécurité et/ou standard de façon décentralisée sur le terrain.
Les fonctions de commande de sécurité et standard sont mélangées physiquement dans la plate-forme de commande décentralisée PSSuniversal mais cependant séparées logiquement les unes des autres. La plate-forme satisfait ainsi aux exigences en termes de temps de réaction très courts et d’absence de rétroaction.
Grâce à sa conception modulaire, le PSSuniversal se prête aux applications les plus diverses et peut être facilement étendu. La plateforme de commande est entièrement conçue pour les tâches de sécurité selon la catégorie 4 conformément à l'EN 954-1 ou selon SIL 3 conformément à CEI 61508 ainsi qu'en conformité avec d'autres normes internationales.
Aujourd'hui il est possible de réaliser via Internet le diagnostic, la maintenance et la programmation à distance d'un automate programmable. Ces progrès technologiques permettent d’économiser beaucoup d'argent et de temps, notamment quand ils peuvent éviter le déplacement d’un technicien sur l'installation distante en cas de dysfonctionnement. À tout moment, les opérateurs sont capables de connaître l’état des entrées/sorties. Ce qui, couplé à un stockage d’informations, débouche sur des études statistiques des données recueillies afin d’optimiser les traitements.
Cela a pour conséquence une augmentation de la productivité, une diminution des coûts d’exploitation en diminuant les coûts d’énergie en fonction des tarifs par exemple, créant sans conteste une aide appréciable à la surveillance. Prenons l’exemple d’un capteur chimique qui détecterait la présence importante de dioxine ou de métaux lourds. Aussitôt informé, l’opérateur serait en mesure d’arrêter le rejet et d’intervenir sur toute la chaîne du traitement, et si cela s’avère nécessaire, d’orienter l’eau vers une autre station. « Toutes ces informations présentent un avantage en termes d’optimisation des boues. Nous sommes en mesure de mieux connaître leur composition, ce qui permet de les valoriser en compost par exemple avant de brûler les ultimes déchets », assure Christophe Sensamat, responsable automatisme et informatique industrielle chez Ledu Industrie.
Redondance
À l’avenir, les automates devraient s'ouvrir largement, sur Profinet par exemple. Mais ce sont les micro-automates qui seront surtout concernés par ces évolutions, l’objectif étant d’obtenir des informations toujours au plus près du process. À noter également parmi les tendances actuelles, celle de la redondance. « Lorsqu’un automate est défaillant, l’opérateur se trouve “dans le noir” et ne peut plus assurer la conduite du procédé. Les données ne sont plus enregistrées dans les historiques, et on perd la traçabilité, explique Serge Catherineau, responsable marketing offre automatismes. Le fonctionnement en redondance permet, lorsqu'un automate est défaillant ou lorsque la communication avec un équipement est interrompue, de basculer automatiquement, sans intervention de l'opérateur, les traitements correspondants sur un autre automate ».
Reconnu pour ses architectures redondantes, Schneider Electric a élargi sa gamme en proposant un tout nouveau module Hot Standby Premium.
Cette solution est basée sur le principe “Primaire/Redondant” avec la redondance complète des fonctions principales de traitement et de communication, l'utilisation d’E/S partagées sur le réseau Ethernet TCP/IP, la liaison Modbus et/ou la redondance d’E/S “In rack”. En cas de défaillance de l'automate “Primaire”, le système de redondance opère une commutation automatique, ce qui entraîne l'exécution du programme application et le contrôle des entrées/sorties sur l'automate “redondant”.
« Une autre évolution majeure de l’automate programmable réside dans la nouvelle mission qui lui est donnée : gérer la sécurité des installations » souligne Fabien Ciutat, ingénieur formateur à l'Institut de Régulation et Automation (IRA).
Historiquement, les fonctions de sécurité devaient être réalisées avec des systèmes câblés à relais, les automates programmables assurant quant à eux les fonctions standards de contrôle-commande des installations.
Seuls quelques constructeurs spécialisés dans le domaine de la sécurité (Triconex, Pilz, Hima, ICS triplex, Moore…) proposaient des automates dédiés à la sécurité, au prix de techniques et développements lourds.
« L’évolution de l’électronique en terme de vitesse, de capacité de calcul et de prix permet maintenant à l’automate (tout en continuant à gérer des tâches temps réel de contrôle-commande classique) de mettre en œuvre des techniques de sécurité » souligne Fabien Ciutat.
Tous les grands constructeurs proposent aujourd’hui des automates dédiés à la sécurité “API-s” offrant des hauts niveaux d’intégrité de sécurité (SIL).
Ces automates se distinguent des API standards qui avaient déjà une bonne réputation de fiabilité par leur aptitude à assurer que les tâches seraient accomplies correctement, à moins qu’ils ne préviennent que l’un de leurs états pourrait conduire à une situation incorrecte.
Ces automates sont utilisés dans les systèmes instrumentés de sécurité (SIS) et sont également de plus en plus communicants.
C’est ainsi que les bus de terrain classiques se déclinent en version sécurité : CAN avec SafetyBUS p, Profibus avec Profisafe, DeviceNet avec DeviceNet Safety, ASI avec ASI safety at work, et Interbus vers Interbus Safety.
C’est également le cas pour Ethernet avec SafeEthernet. ■
