L’utilisation des puissants moyens de l’informatique pose au concepteur des installations de traitement des eaux le problème du choix de la structure la mieux adaptée à leur automatisation et à leur contrôle, ainsi que celui de la définition des types de machines qui, à l’intérieur de cette structure, pourront assurer avec le maximum de fiabilité les tâches qui leur seront assignées. Ces machines étant du type à « logique programmée », il doit se soucier de la procédure d’accès aux programmes, accès qu’il peut être souhaitable de hiérarchiser tant pour des raisons de facilité que de sécurité d’exploitation. En outre, bien que la probabilité de défaillance de tels systèmes soit de plus en plus faible, la prise en considération des problèmes de maintenance est indispensable et en particulier celle de la détection d’un défaut de fonctionnement, de sa localisation et de sa correction par le personnel d’exploitation dont la connaissance de ces nouvelles techniques est souvent réduite.
Le domaine du traitement des eaux est vaste, aussi nous limiterons-nous ici à la partie concernant les installations de traitement des eaux destinées à la consommation humaine ou à la satisfaction des besoins industriels qui, au niveau des fonctions à assurer, présentent de nombreux traits communs, le problème de la conduite automatique des installations de traitement d’eaux résiduaires méritant à lui seul un développement particulier. Il est cependant entendu que les idées générales développées ci-après peuvent s’appliquer également à ce type d’installation.
CHOIX DU TYPE DE STRUCTURE
La gestion automatique d’une installation de traitement des eaux, comme d’ailleurs de tout process industriel, consiste à assurer deux grandes fonctions distinctes, à savoir une fonction de commande et de régulation automatique et une fonction de contrôle et de gestion technique incluant en particulier la saisie et le traitement d’informations en provenance des procédés pilotés. La mise en application d’une telle gestion peut se traduire par un investissement relativement important dont l’amortissement doit être assuré par l’allégement de la main-d’œuvre de conduite de l’installation et par une certaine optimisation de cette conduite. Il importe donc de bien cerner au départ le coût d’un tel système de gestion, ce qui n’est pas toujours très facile, car, dans le montant total, la part correspondant au logiciel peut être plus ou moins lourde et difficile à appréhender.
La première option se situe au niveau de la définition d’une structure de système qui peut être du type centralisé ou décentralisé. Il y a quelques années, lorsque la possibilité est apparue d’utiliser les systèmes informatiques pour la gestion automatique des installations de traitement des eaux d’une certaine importance, la tendance a été de mettre en œuvre un ordinateur central d’une puissance telle qu’il pouvait assurer à lui seul les fonctions de commande et de régulation ainsi que celles de contrôle et de gestion de l’ensemble de leur fonctionnement. Il est évident que dans ces conditions, toute défaillance de la machine peut avoir des conséquences désastreuses au niveau des procédés, aussi pour pallier un tel risque a-t-on envisagé parfois d’assurer la redondance du système par la mise en service d’un second ordinateur chargé de suppléer aux éventuels défauts de fonctionnement du premier. Le coût d’un système aussi lourd, tant au niveau de l’investissement que de sa mise en œuvre dans une installation de traitement d’eau, rend généralement son amortissement aléatoire.
Bien que certains cahiers des charges préconisent encore ce type de configuration, ses inconvénients confirmés par quelques expériences conduisent à lui préférer une structure mixte, c’est-à-dire décentralisée.
décentralisée au niveau de la commande automatique et au contraire centralisée pour ce qui est du contrôle, de la saisie d'informations et de leur traitement.
La décentralisation de la commande automatique consiste alors à confier la conduite de l'installation non plus à une seule unité centrale mais à plusieurs automates accomplissant chacun une tâche spécifique. De façon à limiter les longueurs des liaisons aux organes commandés, il paraît intéressant de rendre cette décentralisation fonctionnelle également géographique, ce qui conduit à répartir localement un certain nombre de machines assurant la commande des différents procédés, machines qui peuvent être sous la surveillance d'un système informatique central à partir duquel il sera en outre possible de modifier certains de leurs paramètres de fonctionnement.
Si la nécessité d'une centralisation géographique du système informatique de gestion de l'installation ne fait pas de doute, un certain nombre d'arguments militent en faveur de sa décentralisation fonctionnelle, qui peut être actuellement obtenue de façon économique grâce aux moyens de la micro-informatique. Ce type de décentralisation conduit à la mise en œuvre en salle de contrôle non plus d'un seul ordinateur mais d'un certain nombre de microcalculateurs dont les unités centrales sont constituées par des microprocesseurs accomplissant chacun certaines tâches bien déterminées telles que, par exemple, la prise en compte d'alarmes, la gestion d'écrans cathodiques, d'imprimantes, de disquettes, etc.
Une telle structure présente l'avantage d'une possibilité de contrôle dégradé des installations, puisque la probabilité de panne simultanée de la totalité des microcalculateurs est quasi nulle. En outre, elle se prête bien aux extensions et donne la possibilité, à partir d'une configuration de départ minimale, d'étaler dans le temps les investissements supplémentaires qu'entraîne la mise en place de l'informatique de gestion.
À titre d'exemple, une telle conception conduira, pour une installation relativement importante de traitement d'eau potable comportant une clarification par floculation et décantation, une filtration et une désinfection par l'ozone, à une structure générale telle que schématisée par la Figure 1.
Localement, trois automates assurent la commande automatique des différentes unités de l'installation, à savoir : les réactifs et les floculateurs-décanteurs (dosage et extraction des boues), les filtres (régulation et lavage), les ozoneurs (commande et régulation de la production). Ces machines sont reliées par des liaisons série asynchrones à un système multiprocesseur de gestion et de contrôle situé au poste central.
CHOIX DU TYPE DE MACHINE
Dans le cadre de cet article, nous limiterons notre propos au choix des machines décentralisées de commande automatique des procédés de traitement des eaux, celui des constituants du système informatique posant moins de problèmes en particulier au niveau de leurs principes de fonctionnement.
Ce choix de machines ne peut évidemment se faire, en toute connaissance de cause, qu'après recensement des fonctions que doit assurer l'automatisme, fonctions dont la nature est liée à celle des procédés, laquelle, dans le domaine du traitement des eaux potables ou industrielles, est d'un caractère essentiellement discontinu.
C'est ainsi le cas des installations de filtration ou de déminéralisation sur résines échangeuses d'ions dont le cycle de production continue d'eau est toujours suivi d'une opération de régénération comportant un plus ou moins grand nombre de phases se déroulant de façon séquentielle et dont les durées ne sont souvent fonction que du seul paramètre temps. Ces temporisations, qui doivent être réglables aisément en temps réel, peuvent être relativement nombreuses, de l'ordre par exemple de cinquante pour une installation de déminéralisation totale.
Dans ces installations, les fonctions de régulation sont peu nombreuses en regard de celles de logique séquentielle et elles présentent généralement un caractère particulier inhérent à l'importance du temps de réponse des procédés régulés. C'est par exemple le cas de la régulation d'un apport de réactif dans le but d'en maintenir constante la concentration
résiduelle, et où toute modification de cet apport consécutive à une variation du débit ou de la demande en ce réactif de l'eau à traiter n'est perçue au point de mesure de sa concentration qu’au bout de plusieurs minutes. Le résultat recherché n'est alors souvent atteint qu'en abandonnant les méthodes classiques de la régulation automatique continue au profit d'une régulation dite à échantillonnage dont la mise en œuvre implique l’exécution d'un certain nombre de calculs. Schématiquement, elle consiste à agir de manière discrète sur l'organe de dosage avec une fréquence modulée en fonction du débit d'eau à traiter, l'importance de chaque action variant automatiquement suivant celle de l’écart mesure-consigne. De la même façon, la régulation du niveau de l’eau dans un filtre est d'un type assez particulier puisqu'elle doit concilier l'obtention d'une relative bonne précision de réglage et l’absence de tout pompage susceptible d’entraîner une détérioration de la qualité de l'eau filtrée.
Enfin, les cas où l'automatisation de ces installations nécessite des fonctions de calcul dites complexes, c'est-à-dire allant au-delà des quatre opérations élémentaires, sont excessivement rares.
En résumé, dans le domaine du traitement des eaux potables ou industrielles, trois fonctions sont assignées à l'automatisme :
— une fonction de logique séquentielle,
— une fonction de régulation,
— une fonction de calcul.
Il convient de remarquer que :
— l'importance des deux dernières fonctions est faible devant celle de la première,
— les phénomènes à gérer sont lents, la notion de rapidité d’exécution est donc secondaire.
Ces considérations conduisent naturellement à l'adoption, pour la commande automatique des procédés mis en œuvre dans ce domaine, d'automates à logique programmée dont l’unité centrale comprend un microprocesseur exécutant les instructions de programmes implantés dans des mémoires électroniques. Il est actuellement inutile d'insister sur les avantages bien connus de ce type de machines dont la souplesse d'utilisation et la grande fiabilité ne sont plus à démontrer. L'automate n’étant lui-même qu'un maillon, certes essentiel, d'une chaîne d’automatisme, il doit être fait en sorte que cette chaîne ne comporte pas d’élément faible dont la présence abaisserait notablement la fiabilité de l'ensemble. Ainsi, lorsqu'un automate à logique programmée est utilisé pour la commande d'un processus séquentiel, la tendance est souvent grande de profiter de son importante capacité potentielle pour lui faire assurer également un traitement de discordances, traitement qui consiste pour chaque phase du processus à comparer l’état réel des organes commandés à celui donné par une table de vérité conservée en mémoire, toute discordance de position pouvant se traduire par exemple par l’arrêt automatique du déroulement du processus. Or, dans une installation de traitement des eaux, les organes commandés sont en majorité des vannes et leurs capteurs de position constituent souvent le point faible de la chaîne. Si la qualité de ces capteurs est généralement suffisante lorsque leur rôle est limité à la commande de voyants sur un synoptique, il n’en est pas toujours de même lorsqu'ils doivent remplir une fonction active dans l'automatisme. Il convient alors d’utiliser des capteurs de haut de gamme dont le coût peut avoir une incidence relativement lourde sur le budget « automatisme » et, si pour des raisons économiques le recours généralisé à de tels capteurs s'avère impossible, il est préférable soit d'abandonner le contrôle systématique des discordances, soit de le limiter au contrôle d'organes dont le mauvais positionnement aurait des conséquences vraiment graves au niveau du procédé.
L'utilisation dans le traitement des eaux d'automates à microprocesseurs pose le problème de leur programmation et, une fois les programmes chargés en mémoire, celui de l’accès à ces programmes de manière à pouvoir modifier ultérieurement le déroulement des procédés. Le coût de la console qui permet cet accès en traduisant automatiquement le langage de programmation en code machine peut être plus ou moins élevé suivant le niveau d’élaboration de ce langage ; cependant, son acquisition est parfois indispensable lorsque seule son utilisation permet la modification des valeurs programmées de données évolutives telles que les temporisations ou les valeurs de consignes.
Il convient toutefois de remarquer que les procédés séquentiels de traitement des eaux potables ou industrielles sont essentiellement peu évolutifs pour ce qui est du contenu et de l'ordre de succession de leurs différentes phases. Ainsi, après la mise en service d'une installation de filtration, le processus de lavage est pratiquement figé et ne sera modifié qu’en cas de changement de la nature du matériau filtrant impliquant une nouvelle procédure de nettoyage. Par contre, on peut être plus souvent amené à modifier les valeurs des paramètres sous la dépendance desquels se trouvent certaines phases telles que, par exemple, la durée de lavage à l'eau et l'air d'un filtre, de rinçage d'un échangeur d'ions, etc. De même, la structure d'une boucle de régulation d'ozone restera pratiquement immuable durant toute la vie de l'installation alors que le taux de traitement et la valeur de consigne de concentration résiduelle en ozone seront susceptibles d’évoluer dans le temps en fonction des variations quali-
tatives de l'eau sous traitement. Il est donc souhaitable que les modifications de valeurs de temporisations ou d’autres paramètres puissent être réalisées à tout moment par un personnel d’exploitation non qualifié en matière de programmation. Pour qu’il en soit ainsi, trois conditions doivent être réunies à savoir : l'existence d'une procédure simple d’accès aux données en mémoire, l'expression en langage courant des valeurs de ces données, la possibilité de modification de ces valeurs en dynamique et donc sans arrêt du déroulement du procédé. Par contre, le fait de laisser l’initiative à ce personnel de pratiquer de façon très épisodique des modifications structurelles de programmes à partir d'une console en utilisant un langage aussi évolué soit-il mais dont il n'a pas la pratique courante n'est pas sans danger, surtout si ces modifications sont faites en ligne.
Ceci étant, le problème du langage de programmation perd de son acuité puisque cette programmation devient nécessairement l'affaire du spécialiste qui dispose de moyens performants de mise au point hors ligne des programmes et de simulation de fonctionnement.
À titre d’exemple d’automate à microprocesseur répondant à ce critère d’accès hiérarchisé aux programmes, nous décrirons succinctement le MIDES 512 spécialement développé par notre Société pour la commande automatique de ses différents procédés de traitement des eaux.
LE MIDES 512
Cet automate représenté à la Figure 2, capable dans sa configuration maximale d’assurer la gestion de 512 entrées ou sorties du type « tout ou rien » ou analogique peut, grâce à la présence d'une liaison interactive avec des périphériques extérieurs tels que écrans de visualisation, imprimante, calculateurs, s'inclure dans des systèmes complexes de gestion et de contrôle de procédés.
Au plan de la sécurité, l'existence d'un dispositif de chien de garde permet de se prémunir automatiquement des conséquences fâcheuses qu'une panne ou un fonctionnement aléatoire de son unité centrale pourrait entraîner au niveau du procédé dont il assure le pilotage.
Pour permettre à un personnel sans qualification spéciale l’accès de premier niveau au contenu du programme d’application, l’automate comporte deux modules intégrés à l'aide desquels il est possible à tout instant de connaître les valeurs des données en mémoire et de les modifier sans pour autant être contraint d'arrêter le déroulement de la séquence en cours. Pour ce faire, l’opérateur place l'interrupteur à clé du module opérateur sur la position
Programmation et affiche à l'aide de roues codeuses le numéro de la donnée dont il veut connaître la valeur. Cette valeur apparaît alors sur le module de visualisation en heures et minutes ou minutes et secondes dans le cas de temps, ou exprimée dans le système décimal s'il s'agit d’un autre paramètre. S'il veut modifier cette donnée, il affiche, toujours à l'aide de roues codeuses, sa nature et sa nouvelle valeur qui apparaît alors sur le module de visualisation, ce qui lui permet de s'assurer qu'il n'a pas commis d’erreur, puis il procède à l'introduction dans la machine de cette nouvelle valeur par simple action sur un bouton poussoir d’écriture.
Lorsque l’automate est relié à un système central de contrôle et de surveillance, ces modifications peuvent se faire à distance à partir d'une console.
Ces données modifiables sont stockées en mémoire vive dont l'alimentation est secourue par batterie, le système étant conçu de telle sorte que si la coupure de secteur dépasse le temps de sauvegarde
de la mémoire (de l'ordre de une heure), elles ne prennent pas, à la remise sous tension, des valeurs nulles ou aléatoires mais celles fixées initialement à la mise en service de l'installation dont le redémarrage peut de ce fait être immédiat.
Pour des raisons de sécurité, le programme d'application de l’automate est mis en mémoire morte, ce qui assure sa conservation en cas de coupure de courant. Il est réalisé et mis au point grâce à un outil de développement particulièrement puissant, le STARPLEX de National Semiconductor (Figure 3), véritable minicalculateur organisé autour de plusieurs microprocesseurs, qui permet l’écriture d'équations, l'édition de fichiers, leur assemblage, la correction mot à mot, l'insertion ou la suppression d'instructions, la mise en mémoire sur disque, l'impression sur imprimante, la programmation de mémoires mortes, etc.
Une fois établi, le programme est transféré en mémoire vive sur le MIDES de façon à en tester le fonctionnement jusqu’au niveau des sorties. Une fois sa mise au point terminée, il est implanté dans une mémoire morte qui vient prendre la place de la mémoire vive.
Toute modification ultérieure de programme à l'aide du STARPLEX est très rapide puisqu’il suffit, à partir du disque sur lequel ce programme est conservé, d'appeler sur l’écran la partie à modifier et d’en procéder à la mise à jour. Le programme modifié, une fois testé comme précédemment sur un MIDES, est chargé en mémoire morte laquelle, sur le site, viendra par simple brochage se substituer à celle en place dans l'automate.
Bien que le STARPLEX permette la programmation en langage informatique évolué, celle-ci se fait généralement en langage assembleur de façon à utiliser au mieux les ressources de l’unité centrale de l’automate.
Préalablement à la programmation proprement dite, la mise en œuvre d’un automate à logique programmée implique l'établissement de diagrammes fonctionnels décrivant, de façon claire et exempte d’ambiguïtés, le fonctionnement de l’automatisme. Parmi les différents logigrammes, le GRAFCET (Graphe de Commande Étape Transition) est particulièrement bien adapté à la description des procédés séquentiels de traitement des eaux. Son établissement consiste à découper le processus en un certain nombre d’étapes, le passage d'une étape à la suivante ne se faisant que lorsque celle-ci est activée et que la condition de transition est remplie, condition ne prenant en compte parmi toutes les informations existantes que celles qui doivent normalement la valider. Cette condition peut prendre la forme d'une simple temporisation ou d’une équation booléenne.
Le MIDES 512 est doté d’un programme moniteur structuré de façon à assurer la transcription exacte du GRAFCET dont l’utilisation, outre la simplification et la sécurité qu'elle apporte dans l'établissement des logigrammes, permet la détection rapide de l’origine d'une anomalie pouvant apparaître en cours de fonctionnement puisque sa recherche est circonscrite aux éléments de l'étape où elle se trouve localisée.
D'une manière générale, les automates à microprocesseurs, tel que celui décrit, sont bien adaptés à la commande automatique des procédés de traitement des eaux et leur utilisation devrait connaître un rapide développement même dans les installations considérées comme de moyenne importance. Il est cependant vrai que leur introduction dans de telles installations est parfois freinée par la méfiance des exploitants envers une nouvelle technique, à leurs yeux mystérieuse, et qu'ils craignent de mal maîtriser. Il est donc essentiel que ce personnel ne soit pas dérouté par la mise en œuvre de ces automates qu'il ne doit en aucun cas considérer comme une source de contraintes supplémentaires. Pour cela, nous considérons comme essentiel que les manœuvres de routine consistant à la modification d’un temps ou de la valeur d'une consigne puissent s'effectuer au moins aussi simplement que dans un système classique à logique câblée comportant des programmateurs, des minuteries et des régulateurs.
Les systèmes complexes incluant un système informatique central de contrôle et de gestion sont, du fait de leur coût, actuellement réservés aux grandes installations. Il est néanmoins certain que l'abaissement des prix de composants consécutif à l'accroissement de leur degré d'intégration fait que la micro-informatique, qui permet en outre de concevoir des structures évolutives, donne déjà la possibilité d'introduire, au moins par étapes, ce type de système dans les installations de traitement des eaux de moindre importance.
