La conduite automatisée du réseau d'eau de la Ville de Zurich

Ingénieur E.S.E

Systèmes Informatiques et Téléconduite CEM

Partenaire français du Groupe BROWN BOVERI

INTRODUCTION

Depuis bientôt deux ans, la Compagnie Électromécanique développe l’activité de téléconduite de réseaux d’eau, en collaboration étroite avec le groupe BROWN BOVERI. Une gamme importante d’équipements informatiques ED 1000 et DATAMATIC orientés microprocesseurs et utilisant des supports de télétransmission fil ou radio, a été développée ainsi que des programmes de logiciel pour dispatching de téléconduite. Le réseau d’eau de Zurich, présenté dans cet article, par son niveau d’automatisation et sa grande capacité de téléconduite (environ 8 000 points), est une réalisation spécialement intéressante pour les grands réseaux d’eau.

1. IMPLANTATION ET STRUCTURE DU RÉSEAU D'EAU DE ZURICH

Permettant de distribuer plus de 500 000 m³ par jour aux habitants de la ville de Zurich et de la banlieue, avec une moyenne de consommation de 650 litres/jour, le réseau va connaître une croissance rapide pour répondre aux besoins futurs estimés à 800 000 m³ par jour et une consommation moyenne journalière de 1 000 litres par habitant, en l’an 2000.

L’eau potable est obtenue de plusieurs moyens :

— Captage de source et pompage de nappes souterraines pour 25 % de la consommation. — Traitement de l’eau de surface du lac de Zurich pour 75 % de la consommation. Cette part va en augmentant pour atteindre 85 % en l’an 2000.

Les installations principales de traitement de l’eau, les stations de pompage et réservoirs de la ville de Zurich sont situés sur un anneau et reliés entre eux par pipe-lines et par canaux, d’un diamètre moyen de 2 mètres et d’une longueur de 25 km. À l’est et à l’ouest du lac de Zurich sont situées deux usines de traitement : LENGG et MOOS, et au nord, l’usine de pompage de nappes souterraines de HARDHOF. Là est installé le Centre de Téléconduite de l’ensemble du réseau.

2. LES OBJECTIFS DE L’AUTOMATISATION DU RÉSEAU

Pour répondre aux besoins croissants que connaît le réseau de la ville de Zurich, il fut décidé de le doter d'un système de Télécontrôle et de Télémesure permettant une grande efficacité d'exploitation et l'optimisation des coûts de son fonctionnement. Le groupe BBC/CEM fut chargé de réaliser l'automatisation complète du réseau, ayant pour fonctions principales :

— la conduite centralisée du réseau et les fonctions d'automatismes des installations locales ;

— les calculs statistiques de données d’exploitation sur l’ensemble du réseau.

Les services publics de réseaux d'eau chargés de la collecte et du traitement d'eau de source ou de rivière, de la distribution d'eau potable et, dans certains cas, d’échanges avec des réseaux de municipalités voisines, doivent répondre à des impératifs d’exploitation de plus en plus sévères :

— assurer un service continu et sûr pour tous les consommateurs, spécialement aux heures de pointe et accroître la capacité du réseau pour répondre aux besoins croissants de l'industrie et du secteur public.

Un souci majeur est la qualité de l'eau distribuée qui doit être obtenue par des traitements intensifs rendus nécessaires à l'augmentation de la pollution et la détérioration des eaux de source et de rivière.

Une caractéristique typique du réseau d'eau de Zurich, est la décentralisation des installations, telles que stations de traitement, de pompage et réservoirs, répartis sur plus de 100 km carrés.

Celles-ci ont été initialement équipées de systèmes de contrôle locaux et automatisées en partie.

Un centre de conduite, recevant les informations d’exploitation des stations et ayant une grande capacité de contrôle-commande, permet d'améliorer la sécurité d’exploitation, malgré l’extension des usines et la complexité croissante des installations ainsi que d’obtenir et distribuer l’eau potable dans les meilleures conditions économiques.

Conçu autour de calculateurs de conduite de process, la collecte, la transmission et la sortie des informations reçues des usines décentralisées, ainsi que les commandes qui leur sont envoyées, sont effectuées par un réseau de télétransmission.

Les objectifs de la conduite automatisée sont situés sur trois niveaux :

— automatisation locale,

— conduite du poste central à travers le réseau de télétransmission,

— suivi de process au niveau de l’ensemble du réseau.

Il fut réalisé un système ayant les fonctions suivantes :

— contrôle décentralisé des usines de pompage et de traitement d'eau ;

— contrôle centralisé en temps réel de toutes les installations pour la quantité et la qualité de l’eau distribuée ;

— commande totalement automatique des stations, réservoirs et du pompage ;

— commande manuelle des installations depuis le poste central utilisant des procédures d’exploitation simplifiées ;

— visualisation d'informations générales et détaillées par les équipes d’exploitation ;

— traitements statistiques et stockage de données pour des périodes d’exploitation couvrant des échelles de temps de quelques minutes à un an. Les informations sont visualisées en forme de tableaux ou de courbes sur traceur de courbes et console semi-graphique ;

— calculs économiques sur les éléments de conduite du réseau en fonction de la demande des consommateurs.

3. LE SYSTÈME DE TÉLÉCONDUITE

Le réseau de télétransmission.

La transmission entre le centre de conduite et les sous-stations est réalisée par câbles téléphoniques posés le long des canalisations d'eau, le réseau

ayant la structure d'une boucle. Certaines sous-stations sont reliées au réseau principal par dérivation sur les lignes en branche.

Le mode de transmission utilise la technique de déplacement de fréquence, avec une vitesse de 200 bauds.

Deux lignes de transmission sont utilisées entre le centre de conduite et les sous-stations dans des directions opposées, permettant de communiquer avec chaque sous-station par l’une de ces deux lignes. L’expérience a montré que, à cause des travaux routiers, etc., les coupures de lignes apparaissent en moyenne une fois par an et c’est pour cette raison que deux lignes de transmission ont été choisies. En temps normal, une seule des deux lignes est utilisée.

En cas de panne, le calculateur du centre de contrôle détecte sa localisation et établit si l’une ou les deux lignes sont affectées, la transmission se faisant d’une manière appropriée sur l’autre ligne ou sur les deux lignes à la fois.

Ainsi la communication ne peut être interrompue entre le centre de conduite et les sous-stations. Le changement de ligne est automatique, permettant une exploitation sans interruption.

Les fonctions de transmission au centre de conduite comme dans chaque sous-station sont assurées par software. Celui-ci contrôle la transmission des télégrammes et leur bonne réception en mots d’un format de 16 bits à travers des convertisseurs série/parallèle reliés au modem. La transmission est dirigée par le centre de conduite, toutes les sous-stations faisant partie du réseau recevant les télégrammes de celui-ci. La sous-station adressée répond par l’envoi d’un télégramme en mode start-stop.

Durant le temps pendant lequel le centre de conduite attend ou reçoit le télégramme de retour, il transmet des mots de synchronisation pour maintenir la synchronisation entre le récepteur de la sous-station et l’émetteur du centre de conduite.

Les données échangées en forme de télégrammes sont composées de mots de 16 bits. Les 16 bits dans un mot ont la signification suivante :

— 3 bits de structure pour désigner le type de message,

— 8 bits de données utiles ;

— 5 bits de test pour la sécurité du mot, avec un code Hamming distance 4.

Un télégramme contient jusqu’à trois types de mots :

— le mot d’état — contenant l’adresse de la sous-station et le type de message (mesures, changement d’état, etc.) ;

— le mot d’adresse contenant la première adresse des données à transmettre ;

— jusqu’à 16 mots de données.

Le cycle des messages échangés est composé d’un cycle normal transmettant en permanence les mesures et les compteurs des sous-stations vers le centre de conduite.

Après chaque séquence de 16 mots de données, une interrogation est lancée pour demander s’il y a eu un changement d’état. Dans l’hypothèse affirmative, la priorité est donnée à la transmission des changements d’état.

La même procédure est utilisée pour des ordres et des consignes à passer aux sous-stations, ceux-ci ayant priorité sur le cycle normal.

Les sous-stations appartenant au même cycle normal (jusqu’à un maximum de 15) forment un sous-système. Le centre de conduite peut gérer simultanément jusqu’à 16 sous-systèmes. Pour le réseau d’eau de Zurich, 21 sous-stations sont reliées au centre de conduite formant quatre sous-systèmes opérant en parallèle. La capacité totale du centre de conduite est ainsi portée à 1000 bauds (5 sous-systèmes à 200 bauds).

La réception de messages importants comme envois de télécommandes, de changements d’état est acquittée par le centre de conduite ou la sous-station. Les télégrammes erronés ou les acquittements non reçus provoquent une ou plusieurs répétitions de la demande. Si ces répétitions ne donnent pas de réponses valides, la liaison avec la sous-station est déclarée défectueuse et celle-ci est bloquée. L’information de défaut forme un critère de changement automatique de transmission vers la seconde ligne ou les deux lignes simultanément.

• La structure des équipements.

Les calculateurs.

Chaque sous-station et le centre de conduite possèdent un calculateur ayant des capacités de traitement compatibles avec les tâches à réaliser et les extensions de fonctions possibles.

EXPLICATIONS :

1) Disque : 4,2 millions de mots

2) Lecteur de ruban : entrée/sortie

3) Console semi-graphique couleur

4) Plotter

5) Unité Hard copy

6) Imprimante ou téletype

7) Cassette

8) Pupitre opérateur

9) Synoptyque mural

10) Périphérie de process

19 sous-stations sont contrôlées par microprocesseur qui réalisent le dialogue avec le centre de conduite, collectent les informations à transmettre et exécutent les commandes reçues.

Deux sous-stations sont équipées de minicalculateurs PDP 11/05 de Digital Equipment. Ceux-ci assurent, outre les fonctions de dialogue avec le Centre de Téléconduite, la visualisation des informations par deux consoles semi-graphiques et l'automatisation de l'usine de traitement de l'eau du lac.

Le centre de conduite possède une configuration à trois calculateurs.

Le calculateur frontal est doublé par un calculateur en stand-by avec commutation automatique sur les périphériques communs utilisés.

Le calculateur central gère un grand nombre de périphériques informatiques. L'échange d'informations entre les trois calculateurs est en 16 bits parallèle. Lorsque le calculateur central tombe en panne, la reprise des principales fonctions de conduite est assurée par le calculateur frontal disposant de deux consoles de visualisation semi-graphiques.

La périphérie de process

Les entrées/sorties analogiques ou numériques telles que mesures, compteurs, positions appareils, alarmes, commandes, consignes, sont structurées en modules de la gamme ED 1000. Cette gamme contient :

outre un grand nombre d'interfaces d'entrées/sorties, des modules de transmission, des modules mémoire et des modules microprocesseurs qui sont connectés entre eux, via un bus assurant leur standardisation.

Les variables du système.

Elles sont résumées dans le tableau suivant, contenant environ 8000 entrées/sorties actuellement :

* Le logiciel.

Les calculateurs et les microprocesseurs sont exploités en temps réel. Le calculateur central du centre de conduite est utilisé avec un moniteur temps réel RSX-11 de Digital Equipment permettant l'exécution de multitâches en temps réel, avec gestion de mémoire virtuelle, développement de programme en on-line. Les calculateurs frontaux du centre de conduite et les calculateurs des deux usines de traitement utilisent le moniteur temps réel multitâches RUMOR. Les microprocesseurs ont un moniteur simplifié permettant le déroulement des programmes de télétransmission et de scrutation des entrées/sorties. Ceux-ci sont stockés sur mémoire PROM, les données et variables étant rangées sur mémoire RAM.

Les calculateurs des deux usines de traitement d'eau possèdent une base de données pour les automatismes locaux. La base de données du système de téléconduite est située au niveau du calculateur frontal du centre de conduite. Une base de données plus élargie contenant les données en temps réel et les données stockées est utilisée par le calculateur central. Les données contenues dans les bases de données peuvent être chargées en temps réel par l'opérateur, en cas de modifications ou d'extensions de sous-stations. Des données peuvent être entrées manuellement, telles que conditions climatiques. Les informations des bases de données sont entrées par images descriptives sur la console de visualisation.

Les descriptions donnent les adresses d'informations, les limites de seuils, les mesures, les commandes, les appareils et alarmes des sous-stations. La base de données du calculateur central contient les informations nécessaires au stockage des données, à la conduite de tout le réseau d'eau, à la visualisation des données sur périphériques telles que imprimantes, consoles semi-graphiques, etc.

4. LES FONCTIONS DU SYSTÈME DE TÉLECONDUITE

Comme il était mentionné dans les objectifs du système, trois niveaux de fonctions sont réalisés :

— au premier niveau, le traitement décentralisé des sous-stations : enregistrement des changements d'état, mesures, comptages et transmission au centre de conduite. Réception des commandes et consignes de celui-ci et exécution dans la sous-station.

D'autres fonctions s'ajoutent au niveau local :

* Programmes automatiques pour le traitement de l'eau.

* Sorties d'informations sur imprimantes et consoles de visualisation semi-graphiques.

— au second niveau, les fonctions du calculateur frontal du centre de conduite.

* Programmes de communication avec les sous-stations, contrôle automatique des lignes en cas de défauts.

* Mise à jour de la base de données en temps réel et transmission des informations au calculateur central.

* Contrôle des valeurs d'exploitation pour les seuils et les conditions d'alarmes.

* Visualisation d'informations pour :

- Deux synoptiques muraux ;

- Deux consoles semi-graphiques par calculateur, permettant séquences d'alarmes et demande de l'opérateur.

• Communication avec les sous-stations pour la conduite des installations.

— au troisième niveau, le calculateur central du centre de conduite a pour rôle :

le stockage et le traitement statistique des données d’exploitation, le bilan des quantités d’eau produites et des échanges avec les municipalités voisines, la visualisation d’informations sur quatre consoles semi-graphiques, deux unités hard copy, deux enregistreurs, une imprimante et une télétype.

En extension, sont prévues la conduite centralisée des stations de pompage, les programmes d’optimisation de traitement et distribution de l’eau ; les critères retenus pour ceux-ci sont les prévisions de consommation par jour et par semaine, dans l’année, les réserves d’eau dans les réservoirs pour la lutte contre le feu, les proportions d’eau recueillie dans les deux usines de traitement d’eau du lac, en fonction des degrés de pollution.

4.1. La conduite locale automatisée des usines de traitement de l’eau :

À l’usine de LENGG (l’une des deux usines de traitement de l’eau de Zurich), le calculateur local contrôle toutes les phases de traitement depuis l’addition de coagulants de l’eau pompée jusqu’au volume d’eau distribué sur le réseau. Sont contrôlés 40 filtres rapides à gravitation, 14 filtres lents à sable, 12 filtres à charbon, deux filtres Wash-water (1). À la fois, le nombre et la séquence des étapes de contrôle et leur succession chronologique sont définis par des tables et peuvent être adaptés à de nouvelles données d’exploitation sans altération du programme.

4.2. Les modes opératoires :

On retrouve les trois modes opératoires suivants :

— Gestion centralisée de toutes les installations depuis le centre de conduite contrôlant les procédures de traitement et de distribution ; les interventions manuelles de l’opérateur sont possibles.

— Conduite manuelle depuis le centre de conduite des équipements individuels et de l’ensemble des installations avec tests de validité des procédures d’exploitation.

— Conduite locale des installations. Les données d’exploitation sont transmises au poste central pour affichage et enregistrement.

Les sous-stations sont téléconduites avec toutes les procédures de sécurité et les performances de la télétransmission. Une défaillance de celle-ci provoque le passage de la sous-station en conduite locale automatiquement.

4.3. La visualisation des informations :

* Consoles de visualisation semi-graphiques.

Les modes de fonctionnement, toutes les données d’exploitation et les données de calculs statistiques sont indiqués sur des consoles semi-graphiques dans le centre de conduite et les deux usines de traitement. Dans le centre de conduite, les calculateurs frontaux gèrent chacun deux consoles, celles-ci étant dans la salle de contrôle. Le calculateur central gère quatre consoles, deux dans la salle de contrôle, deux dans le bâtiment administratif adjacent.

Les informations pour les quatre consoles situées dans les deux usines de traitement sont gérées à partir du calculateur central et transmises dans les usines par deux liaisons 1 200 bds point à point.

Un certain délai est nécessaire pour traiter les informations de visualisation dans le calculateur central et les transmettre aux usines. Pour réduire ce délai, seules les données variables sont transmises. Les parties fixes d’images sont stockées sur disques et peuvent être immédiatement visualisées sur l’écran après la demande de l’opérateur.

(1) Les lecteurs peuvent se reporter à l’article paru dans le n° 18 de « L’EAU ET L’INDUSTRIE » : la première réalisation du genre en Europe, l’ingénierie et chargement du système mis en œuvre par Nord, à l’usine d’eau potable de Bagne (Suisse) », p. 57 et suiv.

Environ 400 images sont intégrées dans le système,de trois types :

— schémas d'installations représentant, par symboles, leur état de fonctionnement depuis chaque partie détaillée jusqu'à l'installation générale ;

— diagrammes montrant les mesures d'exploitation en fonction du temps : capacité des stations de pompage, consommation d'eau par zone, évaluations statistiques. Ces courbes sont représentées dans des coordonnées à l'échelle de temps variable.

— Tableaux.

Ces courbes peuvent aussi être mises en forme de tableaux avec des commentaires.

* Systèmes Hard copy : les images de console de visualisation peuvent être recopiées sur papier, ainsi que les courbes tracées.

* Synoptiques muraux : Ils sont installés dans la salle de contrôle et la salle de démonstration. Ils permettent d’avoir une vue générale des installations pour les états globaux et les mesures importantes.

* Imprimantes au niveau des usines de traitement et des calculateurs frontaux pour enregistrer en permanence les alarmes et états d’installations en texte clair. Au niveau du calculateur central, les alarmes et les dépassements de seuil sont enregistrés. Des bilans journaliers, mensuels et annuels sont produits pour :

— les consommations d'eau par zones, les volumes traités avec leur rendement, les échanges avec les autres municipalités, les temps de fonctionnement des installations, les états de stock et la consommation des produits chimiques utilisés dans les usines de traitement d'eau.

Les données stockées chaque jour permettent des calculs mensuels et annuels sur la quantité d'eau produite, le rapport quantité d'eau produite/quantité d'eau reçue, avec leurs valeurs maximum, minimum et moyennes.

5. CONCLUSIONS

Le système de Téléconduite du réseau d'eau de Zurich compte parmi les plus performantes applications informatisées actuelles pour réaliser les automatismes locaux des installations et les fonctions de contrôle au niveau d'un centre de conduite avec des conditions optimum de sécurité dues à la structure du réseau de transmission. Ces systèmes peuvent répondre aux besoins spécifiques de chacun des réseaux de distribution d'eau, comme des réseaux d'assainissement.

Sont également réalisés à l'heure actuelle l'automatisation de petits réseaux d'eau ruraux utilisant des sous-stations et un poste central simplifiés construits autour de microprocesseurs et permettant d'exécuter les principales fonctions de télésurveillance et de télécommande.