Capteurs et actionneurs intelligents et technologies Web, bouleversent actuellement le paysage des automatismes. L?objectif est de mieux pouvoir communiquer les données. Une avancée qui profite déjà au traitement de l'eau.
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Technoscope
Capteurs et actionneurs intelligents et technologies Web bouleversent actuellement le paysage des automatismes. L’objectif est de mieux pouvoir communiquer les données. Une avancée qui profite déjà au traitement de l'eau.
De nombreuses évolutions technologiques sont apparues au cours de ces dernières années au niveau des capteurs, des actionneurs et des composants d’automatisme. Elles intègrent peu à peu les sites de production et de traitement des eaux, et vont simplifier l'ingénierie, la mise en route et la maintenance des usines, tout en améliorant leur fonctionnement. À terme, elles devraient profondément faire évoluer les architectures de contrôle-commande et les automatismes rendant tous les composants d’automatisme plus communicants. En l’an 2000, les réseaux de terrain sont au point et arrivent en force. Les capteurs, les vannes, les automates programmables s'y connectent et pour plus de convivialité se dotent d'une intelligence informatique locale. Celle-ci permet aux appareils de résoudre seuls de nombreux problèmes tels qu'une dérive du signal, un mauvais étalonnage, une panne... Les dernières grandes réalisations que sont Méry-sur-Oise ou Colombes en région parisienne ont intégré ces approches. Même les unités plus petites comme Cavalières dans le Gard, dont les
Automatismes ont été réalisés par eMation (ex PCsoft), les ont adoptées.
Pour l’exploitant l'intérêt de ces technologies est indéniable. Au niveau de la conception et de la réalisation de l'usine, elles permettent la réduction des coûts de câblage, des connexions des composants d’automatismes au poste de contrôle-commande. Au niveau de l'exploitation, elles simplifient les tâches de maintenance en permettant un meilleur suivi des équipements et dans certains cas un dépannage à distance. Elles facilitent encore la mise à niveau dans le temps de l'installation. Pour bénéficier de tous ces atouts, la traditionnelle architecture analogique et centralisée du passé, où chaque capteur, chaque actionneur est relié à la salle de contrôle, est progressivement remplacée par une liaison point à point reliant sur un même anneau tous les éléments nécessaires au contrôle-commande du procédé. Ceci entraîne une simplification de la conception. Et la mise en route des applications est également simplifiée. Les informations nécessaires au paramétrage des appareils sont téléchargées via le réseau, depuis le poste de contrôle. Par ailleurs une meilleure détection des dérives et des pannes par l'intelligence locale permet de réaliser en continu une surveillance du signal. Ainsi, les capteurs sont aujourd'hui capables de s’autosurveiller et de déclencher un étalonnage ou une opération de maintenance en cas de comportement anormal.
Les gains entraînés par une telle approche sont éloquents. Les chiffres communiqués par le cabinet de consultants anglais BDN Consultant lors de l’Aquasymposium organisé par le groupe Emerson en mars 1999 sont là pour le prouver : « 30 % du temps passé en maintenance et en ingénierie pourrait être économisé par la mise en œuvre de réseau de terrain et de capteurs intelligents ». Ces gains pourraient être plus importants encore en intégrant le coût de construction des automatismes. En effet, cette mise en œuvre réduit les câblages. Il faut moins de fils et le travail de mise en œuvre est plus rapide. Ceci sans compter l’étalonnage des capteurs qui est, lui aussi, plus rapide, ni sur le fait que la technologie bus de terrain peut pousser les équipements de traitement plus loin... En intégrant tous ces paramètres, certains avancent un gain de 50 %. Intéressant, non ?
D'autant que l'arrivée des protocoles Internet et des technologies Web au niveau des composants d’automatismes devrait améliorer encore plus la communicabilité des différents capteurs et actionneurs entre eux en faisant « sauter » un des derniers verrous, celui des protocoles propriétaires. Que va-t-il se passer avec les technologies du Web sur les automatismes ? Leur arrivée ne va pas se faire sans conséquence. On peut se plaire à rêver que, demain, tous les composants d'automatismes (toutes marques confondues) pourront dialoguer entre eux et surtout se comprendre et échanger l'information. L'utopie d’hier pourrait bien alors devenir réalité... En attendant, sur ce plan les choses bougent et vite avec l'arrivée de composants de plus en plus communicants.
Des composants de plus en plus communicants
Il ne faut pas s'y tromper, même si l'automate programmable devient de plus en plus petit, il est aussi plus puissant. L'intelligence qu'il intègre (processeur de traitement, mémoire locale...) est répartie sur le terrain. Elle permet de traiter de nombreuses informations, précédemment centralisées en salle de contrôle, sans remonter jusqu'à l’unité de contrôle centralisée. Par exemple, il est capable de traiter en local une boucle de régulation et de prendre une décision.
Il en est de même au niveau des capteurs.
Au début des années 80 Endress+Hauser proposait déjà un transmetteur installé dans une armoire de mesure. Il intégrait un microprocesseur assurant la surveillance de l’ensemble (sonde et transmetteur). En fait, le capteur intelligent a émergé avec l’arrivée du protocole de communication Hart (de Fisher Rosemount). Les données servant à la configuration et à la maintenance du capteur transitent alors sur la boucle de courant 4/20 mA à la vitesse de 1200 bauds. Plus tard, en 1996, des passerelles ont assuré le dialogue entre le transmetteur et le PC via la liaison série RS 232. C’est avec ces outils que l’on a pu commencer à télécharger la configuration des capteurs.
En pratique, le protocole Hart sert à gérer les commandes universelles telles lecture de mesure, réglages comme le débit, fins d’échelles… et la configuration du transmetteur. Cependant, le protocole Hart bride le transfert d’informations stockées dans la mémoire des transmetteurs. « Avec l’avènement du tout numérique, l’utilisateur peut avoir accès non seulement à la donnée mesure, mais aussi à d’autres grandeurs physiques mémorisées par le transmetteur », indique M. Blanchet, responsable du service capteurs et transmetteurs de température et interface de communication chez ABB Instrumentation.
Toujours est-il que le « tout numérique » représente une amélioration par rapport au protocole Hart. Techniquement d’abord, puisque la possibilité d’erreur induite par la présence d’un convertisseur numérique/analogique, dans les solutions 4/20 mA avec protocole Hart, est éliminée. De plus, la rapidité de transmission du tout numérique ouvre des horizons. Si, en théorie, il est possible de connecter 15 à 16 capteurs en série avec le protocole Hart, « en pratique, du fait des temps de réponse requis en régulation (de l’ordre de la seconde), il ne peut y avoir plus de trois ou quatre transmetteurs connectés, la vitesse maximale de transfert des informations étant de 1200 bauds », explique Colette Démoulin, chef de produits capteurs chez Fisher-Rosemount France, dans un article sur les capteurs intelligents publié dans Instrumentation et Systèmes d’octobre 1999.
Avec les bus de terrain numériques, dont la vitesse de transmission peut atteindre 31,25 kbit/s, il est possible de connecter plus de transmetteurs, d’ajouter des fonctionnalités, de disposer de plus de flexibilité. La fonction de régulation peut être installée au niveau du transmetteur, de la valve ou de la centrale.
Prenons le cas de Fieldbus, un des bus répertoriés par la récente norme internationale ISO. Sa configuration matérielle et logicielle permet une hiérarchisation des informations.
Ainsi, les données prioritaires telles alarmes, signalant une défaillance ou le dépassement de seuil, sont immédiatement prises en compte, alors que les données secondaires comme l’auto-diagnostic informant de la nécessité de changement d’une électrode de pH sous dix jours sont pour leur part transmises durant les temps morts.
Dans le cas des vannes, la maintenance pré-
dictive s’en trouve améliorée. Sur ce matériel, qui nécessite une période importante d’immobilisation (temps de démontage/montage très long), le suivi de la signature de la vanne identifie l’élément défaillant et permet d’anticiper et de préparer l’intervention, ce qui limite le temps d’immobilisation. Cependant, les capteurs intelligents ont un développement intimement lié à celui des bus de terrain. Et c’est par eux qu’ils progresseront, notamment avec l’adoption de standards.
Bus de terrain vers des standards ?
Les bus de terrain, voici plus de quinze ans qu’on en parle. Et depuis plusieurs années, on attend impatiemment l’élaboration d’un standard international. La récente normalisation adoptée par l’ISO (International Standard Organisation) en mars dernier devait en quelque sorte calmer le jeu, en offrant une solution ouverte et normalisée. Force est de constater que les lobbies industriels en jeu ont influencé la norme, faisant reconnaître par l’ISO non une ou deux solutions, mais la plupart des bus déjà présents sur le marché, sans toutefois apporter de solutions dominantes.
Alors, il faudra s’y faire ! Aujourd’hui force est de constater que l’offre unique tant attendue n’existera jamais et qu’à terme l’industriel devra savoir retenir sa meilleure solution parmi toute la gamme des protocoles reconnus par la norme.
Alors, qui faut-il adopter : Profibus, Fieldbus Foundation, Worldfip, Hart, Devicenet... La liste est longue, très longue... D’autant que certaines solutions, comme Profibus portée par Siemens, se subdivisent en fait sur deux bus : Profibus DP (pour le domaine manufacturier) et Profibus PA (qui est orienté process).
Pour les constructeurs de composants d’automatisme, de capteurs, d’automates programmables... le choix se révèle difficile et la plupart d’entre eux se trouvent contraints d’adopter tous les grands standards comme le constructeur de capteurs Endress+Hauser ou Schneider Electric.
Ce dernier, depuis deux ans, joue la carte des grands réseaux et de l’ouverture de ses produits « sur Devicenet, Profibus, Ethernet TCP/IP... et bientôt sur Profibus » précisait Alain Letourmy de la direction commerciale France chez Schneider Electric.
Cette démarche a permis à l’entreprise française de développer une offre répartie à travers Ethernet en associant des entrées/sorties intelligentes et un processeur d’automate industriel de la puissance d’un petit Quantum. Ainsi, Schneider Electric, qui a réalisé une partie de l’automatisation de Méry-sur-Oise, mise beaucoup sur Ethernet TCP/IP. Ce réseau prend en compte de plus en plus de produits simples notamment ceux qui intègrent les technologies Web.
L’arrivée des technologies Web
Un réseau Ethernet TCP/IP est ni plus ni moins qu’un Internet local. Il fonctionne sur les mêmes principes. La transformation d’un composant intelligent d’automatisme en serveur Web est assez simple. Le composant intelligent est par définition un véritable ordinateur embarqué puisqu’il possède un processeur de traitement, de la mémoire locale, des progiciels intégrés... Pour lui ouvrir le réseau Internet ou intranet de l’en-
Entreprise, il suffit de le transformer en serveur de communication Web embarqué, en le complétant d'un modem et d’un logiciel de communication adéquat, en se servant du standard HTML pour paramétrer les messages échangés entre les différents instruments. Cette solution simple et bon marché permet de faire communiquer entre eux PC et automates programmables ou tout simplement les automates entre eux. L’intérêt est alors de taille.
Il devient possible de lancer des tâches à distance comme des téléservices ou encore de réaliser le diagnostic d’un équipement et sa maintenance à distance.
L’arrivée d’Ethernet dans le monde des réseaux industriels a de quoi séduire. Ne serait-ce que par la possibilité d’informer immédiatement toutes les personnes concernées par une production où qu’elles soient. Déjà les automates Simatic S7 de Siemens savent stocker des pages HTML et envoyer des e-mails. Areal a développé Webserv, une fonctionnalité adjointe à TopKapi pour permettre l’accès des données de supervision sur le réseau.
Sur ce concept, Schneider Electric a développé l’approche Transparent Factory.
Les petits automates programmables industriels s’assimilent à des relais intelligents et sont répartis sur le terrain, le tout connecté par exemple via Ethernet TCP/IP.
Chez Alstom, la technologie mise en œuvre permet l’implantation des micro-serveurs Internet jusqu’au niveau le plus bas des architectures de contrôle-commande.
On les trouve par exemple au niveau des variateurs de vitesse. Dans l’avenir, une partie de la supervision va être remplacée par un terminal de dialogue opérateur et l’accès aux alarmes se fera via Internet délocalisée.
Demain, la plateforme logicielle comme nerf de la guerre
Demain, en automatisme, le nerf de la guerre sera la plate-forme logicielle. « Elle sera plus musclée et intégrera une base de donnée répartie », se plaisent à commenter les experts. Le réseau de communication servira de squelette à l’installation. Ce qui fera la différence entre les différents
réseaux, c’est le coût de connexion et la performance temps réel. Ces technologies devraient être bien accueillies dans le domaine de l'eau. En effet, elles vont contribuer à fiabiliser à moindre coût le fonctionnement de l'installation. Un procédé qui tourne bien est optimisé à son meilleur rendement, les pannes sont détectées suffisamment tôt pour ne pas pénaliser le travail des bactéries. De plus, le renforcement de la plateforme logicielle permet aussi de profiter des avancées de la recherche et développement. Aujourd'hui, au Cirsee ou chez Anjou Recherches, les procédés sont mis au point à l'aide d'outils de modélisation. Cette approche permet l’étude du comportement dynamique des ouvrages et de leur fonctionnement hydraulique. Elle aide aussi à dimensionner l’équipement et optimise le travail des bactéries, notamment en nitrification-dénitrification, les réactions chimiques, le conditionnement. Une telle étude permet de formaliser et de diffuser le savoir-faire. Intégrée aux automatismes, elle optimise le fonctionnement de l’équipement et en conséquence améliore le rendement.
L’étude hydraulique préalable permet aussi de prendre en compte la réaction de l'installation aux surcharges temporaires (par temps de pluie par exemple). Ce qui est très intéressant car il est possible de choisir entre différents scénarios et de retenir le plus apte à répondre à ce problème temporaire. Ceci augmente la fiabilité de fonctionnement de l'installation et en réduit le risque de panne.
