Instrumentation et automatisation des installations de traitement d'eau

L'utilisation de l'instrumentation dans les installations de traitement d'eau semble avoir son origine avec les régulateurs automatiques. Au début du dix-neuvième siècle, le procédé de filtration rapide étant développé aux États-Unis et la régulation du débit d'eau filtrée ne pouvant plus être assurée manuellement, des régulateurs automatiques de débit ont été étudiés et mis en service. Dans le traitement de l'eau, l'instrumentation a évolué conjuguée avec la régulation de l'injection des réactifs. Le dosage optimum basé sur la qualité de l'eau à traiter a été difficile à mettre au point, ce qui est probablement dû à la forte réactivité de l'eau aux phénomènes naturels, l'inaptitude à prévoir les variations de qualité et la carence en analyseurs de mesure. L'apparition des systèmes à base de microprocesseurs a permis la réalisation de boucles de régulation donnant des réponses rapides et précises, et d'inclure des algorithmes de plus en plus complexes dans les installations de traitement d'eau.

Le terme instrumentation est souvent utilisé de façon générique pour désigner l'ensemble : capteur, automate programmable et actionneur. L'instrumentation tient une place prépondérante dans le contrôle des procédés des unités de traitement d'eau (figure 1).

Parce que ses procédés déterminent la qualité de l'eau traitée, une usine de traitement occupe la position la plus importante dans la fourniture de l'eau potable, la quantité et la qualité de l'eau traitée devant être contrôlées. La conception et la maintenance ne peuvent pas s'arrêter à des considérations d'économie et d'efficacité d'exploitation, la notion importante de fiabilité et de sécurité devant être considérée pour une exploitation d'un service d'eau comme un tout indissociable, incluant l'instrumentation et l'automatisation.

Utilisés seuls dans les installations de traitement d'eau, les automates programmables n'ont ni yeux ni oreilles pour évaluer un débit ou un niveau de réservoir et ni mains ni pieds pour ajuster le dosage d'un réactif. Instruments et automates programmables doivent donc être employés conjointement pour effectuer ces opérations.

Les systèmes automatisés utilisent des capteurs conçus du plus simple, tel un contact d'état ou de position d'un organe, au plus compliqué, comme une mesure en continu d'un paramètre physico-chimique représentatif de la qualité de l'eau.

Les capteurs représentent souvent la partie la plus vulnérable de la chaîne d'automatisme. Leur mode de pose, leur raccordement et les protections adéquates contre les surtensions électriques doivent donc être étudiés avec soin.

Lorsqu'ils sont utilisés dans des boucles de régulation fermée, les capteurs de chlore et d'ozone résiduel, par exemple, sont doublés. L'un des capteurs est intégré dans la boucle de régulation, tandis que le second est utilisé en contrôle de la valeur régulée, avec possibilité d'émettre une alarme en cas de dépassement de valeurs limites. L'installation des capteurs est étudiée de telle façon que le choix de leur fonction puisse être réversible sans modification de raccordement et sans conséquence sur les équipements du procédé à réguler.

L'extension la plus remarquable de la notion élargie d'instrumentation se trouve dans la réalisation, au cours de ces dernières années, des stations d'observation de la qualité des eaux, lesquelles sont principalement conçues et installées pour surveiller les ressources en eaux brutes des usines de traitement d'eau de surface et qui sont utilisées comme vigies pour déceler des évolutions anormales de leur qualité. Les pollutions potentielles non détectées rendent en effet vulnérables les stations de traitement et influent sur la fiabilité et la sécurité de l'eau distribuée aux consommateurs.

Ces stations d'observation sont conçues comme des laboratoires d'analyses automatiques, intégrant des capteurs physico-chimiques, des analyseurs automatiques et le logiciel informatique Calysto (marque déposée de la Lyonnaise des Eaux), fédérateur du fonctionnement automatique d'une station. La fonctionnalité majeure du logiciel se trouve dans l'analyse du contexte d'obtention associé à chaque mesure et la restitution dans les unités de traitement des informations, affectées d'un indicateur de validation.

Pourquoi automatiser les installations de traitement d'eau ?

Le terme « automatisation » peut recouvrir différents niveaux de sophistication ; il définit ici des installations où le niveau est assez poussé pour permettre un fonctionnement entièrement automatique ou utilisant un personnel très réduit.

Lorsqu'une automatisation est décidée, elle a pour but d'accroître globalement la productivité par rapport à une installation peu ou pas automatisée (figure 2). Si l'on admet de façon simpliste que la productivité peut s'exprimer par le ratio résultat/coût, il existe deux moyens d'accroître la productivité, soit par la réduction des coûts soit par l'accroissement du résultat avec diminution des coûts. Cependant, dans la majorité des cas, l'objectif de l'automatisation n'est pas clairement défini, mais implicite.

C'est au niveau de la diminution des coûts de fonctionnement que l'automatisme apporte des économies importantes et, en général, la justification de l'investissement est fondée sur cet objectif. Afin de mettre en évidence les points sur lesquels l'automatisme doit être orienté pour apporter des économies, il est intéressant de fixer l'ordre de grandeur des différents coûts ; les chiffres suivants sont extraits d'une exploitation importante du Groupe Lyonnaise des Eaux : les coûts de production s'y répartissent à raison de 40 % pour l'électricité, 32 % pour les frais de personnel, 5 % pour les réactifs de traitement, 4 % pour les analyses et 18 % de frais divers.

Réduction des coûts d'énergie

Dans une station de pompage, il s'agit d'une meilleure utilisation de la tarification électrique soit par une réduction de la prime fixe, soit par une réduction de l'énergie effectivement consommée.

Dans les stations de traitement, elle se traduit par le lavage automatique des filtres, effectué pendant la nuit, et par l'adéquation des puissances absorbées par certains équipements face aux besoins, grâce à des boucles de régulation (production d'ozone par exemple).

Réduction des coûts de personnel

Elle se traduit par la suppression de services postés (3 × 8 ou 2 × 8), la diminution de la fréquence des visites (en particulier sur des sites dispersés) et la réduction des temps de traitement des informations destinées à la gestion.

Réduction des coûts des réactifs

Lorsqu'une boucle de régulation est installée, la quantité de réactif injectée est asservie à une consigne de résultat. Le rôle de la régulation est donc d'injecter la quantité optimale de réactif permettant d'atteindre le résultat souhaité ; le gain peut être important sur les sites où les variations de qualité de l'eau brute ou du débit à traiter sont importantes.

L'une des particularités de notre activité de traiteur d'eau est caractérisée par le fait que notre produit passe directement du producteur au consommateur, avec un temps de stockage très réduit par rapport à la plupart des cycles de distribution classiques. Il est donc indispensable que la qualité du produit final soit contrôlée en permanence et que le traitement s'adapte aux variations de la qualité du produit à traiter. L'automatisme, grâce à son fonctionnement permanent, est en mesure de corriger rapidement certaines caractéristiques du traitement et de détecter les anomalies dès leur apparition, ce qui contribue donc, d'une part, à améliorer la qualité du produit et, d'autre

…part, à limiter le risque de distribuer une eau de mauvaise qualité.

La liste ci-dessous récapitule, sans qu'elle soit exhaustive, un certain nombre de points sur lesquels la qualité de l'eau peut être améliorée par les automatismes :

• • station de pompage : meilleure stabilité de la pression, alerte et intervention rapide en cas d'anomalie ;
• • station de traitement : meilleure qualité du lavage des filtres, qualité quasi constante de l'eau, surveillance permanente des paramètres de qualité de l'eau, meilleure prise en compte des problèmes de goût.

Fiabilité des automatismes

Outre une attention soutenue à apporter au choix des matériels, il est primordial que l'automatisme assure un contrôle permanent du bon fonctionnement du matériel et de la validité des informations et des mesures. Cela conduit à définir certains principes que doivent respecter les automatismes dans des installations devant fonctionner avec une présence réduite ou sans personnel. Le respect de ces règles permet d'envisager des installations entièrement automatisées, sous réserve d'apporter un soin particulier au dimensionnement de certains matériels et équipements tels que les réservoirs de réactifs. D'autre part, en cas d'anomalie sur un matériel tel que pompe ou vanne, l'automatisme doit pouvoir mettre en œuvre les outils de secours, les mêmes que ceux qui sont nécessaires pour un fonctionnement manuel, mais leur manœuvre doit être automatisée. L'autonomie de telles installations doit atteindre au minimum 24 heures, mais elles sont généralement conçues pour assurer une autonomie de l'ordre de 72 heures.

Conséquences de l'automatisation

Les conséquences liées au développement des automatismes dans l'exploitation des unités de traitement d'eau sont à la fois d'ordre humain et technique.

Les produits d'automatisme actuels offrent en effet des possibilités bien supérieures à ce qui pouvait être attendu antérieurement du matériel électromécanique ou de la logique câblée. La conséquence directe de cette augmentation de possibilités est la modification des compétences du personnel d'exploitation due à l'accroissement de la complexité de ces installations.

Très souvent, la mise en place de l'automatisme de haut niveau impose donc la création d'une structure spécialisée dans ce domaine afin d'obtenir un bon degré d'autonomie.

Si la décision d'automatiser un site est décidée à l'insu et sans la participation réelle de l'exploitant, il en résulte presque systématiquement un phénomène de rejet du système.

Demande de systèmes de plus en plus sophistiqués

Lors des premières automatisations, l'objectif qui leur était assigné était en général d'obtenir d'aussi bons résultats qu'un opérateur humain. De plus, l'automatisme était très souvent surveillé par un technicien.

Depuis, les demandes ont largement évolué, principalement en raison de la transformation des techniques et des contraintes économiques d'exploitation.

Aujourd'hui, l'automatisme relève davantage de l'informatique industrielle et on lui demande des fonctionnalités que l'on ne pouvait envisager de façon réaliste il y a seulement vingt ans.

Augmentation de la fiabilité des installations

Une installation automatisée apporte un niveau de fiabilité supérieur à celui que procure une installation manuelle, ce qui est dû au contrôle permanent de l'état et du fonctionnement des installations, à l'analyse continue opérée par l'automatisme et à sa faculté de réaction devant un nombre programmé de défaillances.

Conclusion

Bien que la culture d'une société soit également sa richesse, elle peut toutefois s'affaiblir dans plusieurs domaines si les opérateurs qui ont la charge de l'exploitation s'opposent à des changements pouvant remettre en cause leur autorité. L'idée que leurs connaissances et savoir-faire puissent être détenus par un système-expert les rend méfiants face à l'évolution de l'instrumentation et des automatismes…

La lente dégradation de la qualité de l'eau brute, le renforcement des normes de qualité des eaux destinées à la consommation humaine et les avancées technologiques sont les facteurs externes qui concourent à la recherche et à l'application de nouveaux procédés.

L'instrumentation évoluera de façon très active, en bénéficiant des avancées technologiques issues de la micro-électronique et de l'analyse physique et biologique. Toutefois, l'intégration de ces nouvelles techniques dans les usines ne pourra être efficace sans l'intéressement du personnel d'exploitation.