Sur le terrain, bien plus que l'élévation du niveau de traitement, c'est aujourd'hui la permanence du bon fonctionnement des stations qui devient l'objectif majeur. En effet, pour respecter la réglementation européenne, il faut pouvoir garantir un taux de défaillance en dessous de 5 %. La nouvelle génération d'automatismes est là pour aider l'exploitant à améliorer la sûreté de son installation.
Les exploitants qui conduisent les ouvrages sont maintenant responsables du résultat, donc de la qualité du rejet dans la rivière, au même titre que les distributeurs d’eau potable. Cette contrainte les oblige à limiter les conséquences des aléas biologiques et la variabilité des eaux à traiter. Pour lisser la qualité des effluents, ils doivent optimiser le fonctionnement de leurs installations, mais aussi rendre les équipements plus sûrs. Les automatismes sont là pour cela. Ils pilotent les transferts de flux d’un traitement à l’autre et améliorent le fonctionnement des différents bassins.
Mais leur rôle ne doit pas se limiter à ces tâches. Les données de process, en provenance des vannes, des moteurs, des différents capteurs sont acquises et mémorisées. Bien exploitées, elles ne se limitent pas à piloter le site et peuvent servir à bien d’autres choses. Elles retracent, par exemple, l’histoire d’un élément moteur, d’une pompe… Ce qui permet de déclencher une action de maintenance préventive. Elles aident l’exploitant à dresser un bilan énergétique, à percevoir très vite les modes dégradés de fonctionnement… Avec ces informations, il maîtrise mieux la consommation
d’énergie, les arrêts d’entretien. Il devient alors possible, pour lui, de conjuguer fiabilité, sécurité, disponibilité et maintenabilité, c’est-à-dire d’assurer la sûreté de fonctionnement de son installation.
Si obligation de résultat est l’objectif poursuivi par l’ensemble des traiteurs d’eau – ce terme est pris ici au sens le plus large – l’hétérogénéité des sites, tant par la taille que par les technologies mises en jeu, fait qu’il n’existe pas de solution universelle pour la conduite des procédés. Pour définir les équipements qui lui conviennent le mieux, l’exploitant doit donc définir très précisément son besoin. Ensuite, seulement, il pourra se lancer dans la construction ou dans la remise à niveau de son installation. C’est le rôle du cahier des charges fonctionnelles.
Établir un cahier des charges précis
Avant la signature de tout contrat, il est important de rédiger un cahier des charges fonctionnelles qui sert de base à la définition des équipements. Ce document, rédigé par l’exploitant, est une approche globale du projet.
Il analyse les besoins et les contraintes opérationnelles. Ainsi, c’est à ce niveau qu’il faut établir la liste des procédés à piloter (dégrillage, aération, poste de relevage…) et des équipements à surveiller par la station comme, par exemple, si le pilotage des réseaux de collecte ou de distribution doit ou non être pris en compte par le système. C’est aussi à ce stade qu’il faut formaliser clairement des besoins en maintenance, en comptage d’énergie…
En dressant la liste des fonctions attendues et des contraintes techniques, la conception de l’architecture opérationnelle en est simplifiée. Il en est de même pour la définition des fournitures et de la prestation. Dans ce document, l’expression des besoins et des contraintes doit être claire, non ambiguë et compréhensible par tous. Il en sera plus efficace et permettra aux intégrateurs de retenir l’architecture d’automatisme collant au plus près aux besoins de l’exploitant.
Choisir la bonne architecture
Si quelques gros sites ont retenu une architecture centralisée, basée sur la mise en place d’un système numérique de contrôle commande (SNCC), avec une organisation pyramidale, l’heure est aujourd’hui aux installations décentralisées organisées autour d’automates programmables supervisés par un ordinateur équipé d’un logiciel de supervision.
Conçus pour gérer de grosses installations industrielles de type pétrochimique, papeterie…, les SNCC ont peu réussi à percer le marché de l’eau et seules certaines stations de taille importante situées en région parisienne ou dans de grandes villes comme Toulon ou Rouen en sont équipées. « Jusqu’à présent, les SNCC possédaient des capacités et un coût d’investissement beaucoup trop importants pour les traiteurs d’eau », explique Bernard Mohring, chef de produits systèmes chez Yokogawa Contrôle Bailey, une entreprise partenaire privilégiée d’OTV.
Les choses pourraient bien changer avec l’arrivée sur le marché de systèmes ouverts et plus petits comme le Freelance 2000 d’Elsag-Bailey, Network 6000 d’Eurotherm Automation ou encore CS 1000 de Yokogawa Contrôle Bailey.
Quatre ans après avoir lancé le système Centum CS en Europe, Yokogawa présente fin 97 une solution modulaire destinée aux petites et moyennes applications. « Contrairement à la génération précédente qui pouvait contrôler jusqu’à 15 000 entrées/sorties, le CS 1000 est capable de gérer jusqu’à 3 000 entrées/sorties d’automatisme et de régulation », explique Bernard Mohring, « ce qui lui permet de se positionner sur le marché des unités de traitement de petite et moyenne importance ».
Cet équipement intègre toutes les caractéristiques d’un SNCC, c’est-à-dire la modularité, la redondance et la sécurité. Il prend aussi en compte les évolutions technologiques les plus récentes en intégrant des stations PC, Windows NT, les liaisons DDE et OLE.
Tableau 1 : Importance des automatismes par rapport à la taille de la station
| Taille | Capacité | Nombre d’entrées/sorties d’automatisme |
|---|---|---|
| Petite | moins de 10 000 EqH | environ 50 E/S |
| Moyenne | entre 10 000 et 100 000 EqH | 2 000 à 3 000 E/S |
| Grande | plus de 100 000 EqH | 10 000 à 20 000 E/S |
Les algorithmes de régulation de logique combinatoire et/ou séquentielle sont définis à l'aide de langages conformes à la norme CEI 1131-3 (schéma bloc, diagramme logique ou SFC). Ils peuvent être imbriqués au sein d'une même station afin de faciliter l'automatisation des procédés qu'ils soient de type continu, discontinu ou mixte.
La connexion des signaux en provenance du terrain est réalisée à l'aide de modules FCS fournis par le constructeur. Ils supportent les fonctions de calcul et de contrôle-régulation. Les classiques cartes d’entrées/sorties analogiques ou logiques, et les cartes de communication numérique sont également acceptées. Elles permettent la connexion de la plupart des automates du marché et le raccordement du système au réseau de terrain Fieldbus. Cette architecture décentralisée permet aux modules d’acquisition et de régulation FCS d’être implantés au plus près des équipements à contrôler. Ils sont reliés à la station opérateur placée en salle de contrôle par un bus à jeton redondant propriétaire qui peut atteindre, avec répéteurs, une longueur maximale de 20 kilomètres.
Une approche distribuée est également reprise par Network 6000, la solution d'Eurotherm Automation. « Celle-ci est basée sur un réseau de terrain Alin, sur lequel sont raccordés des systèmes de régulation, d’acquisition et d’automatisme », explique G. Clavier, responsable du marché eau chez Eurotherm Automation. Cette solution est complètement distribuée. Ainsi, toute information présente sur le réseau est disponible en temps réel et dans son intégralité pour la totalité de l’installation.
La conception modulaire du système permet de faire évoluer l’équipement en fonction des besoins. « L’ajout d’un ou plusieurs appareils sur le bus ou le raccordement de tronçons de réseaux supplémentaires en fil de cuivre ou en fibres optiques ne posent aucun problème. Ces interventions sont réalisées sans perturbation des équipements existants. »
C'est un ensemble réparti de mini-systèmes ou de contrôleurs redondants qui :
- • gèrent les boucles de régulation de dosage, de niveau de cuve, de débit et de pression,
- • réalisent les acquisitions de mesures sur site,
- • commandent les pompes doseuses, les pompes de lavages, les agitateurs, les aérateurs...
La surveillance du site est assurée par les synoptiques animés et les pages d'alarmes de la station opérateur T3500 installée sur une base Windows NT.
Souples, évolutives, distribuées, ces solutions pourraient à terme concurrencer les automates programmables qui occupent aujourd’hui une place de choix dans le traitement de l'eau.
Les automates sur le terrain
Aujourd’hui, la banalisation des automates est de règle sur les sites de traitement. « Couplés à un système de supervision sur PC, ce sont les outils les plus appropriés pour piloter les unités de traitement des eaux usées », précise Christian Caurat, ingénieur commercial chez Alpha Cim, une entreprise d’ingénierie de 110 personnes qui réalise 30 à 40 % de son chiffre d'affaires sur le marché du traitement des eaux usées.
Ils sont quelques-uns à se partager ce marché. On y retrouve les leaders mondiaux comme Siemens et Rockwell Automation, mais aussi le français Schneider, GE Fanuc, Omron... Si, pour l’instant, les Japonais sont encore peu présents, ils s'intéressent de très près au marché. Jacques Lafrance, gérant de Mac-F, la filiale française de Matsushita Automation Controls, affirme vouloir pénétrer ce secteur.
« Dans le domaine de l'eau, nous devons gérer beaucoup d’automatismes simples, de type tout-ou-rien », rappelle Laurent Cachot, chef du service électricité, automatisme et informatique industrielle chez Degrémont. Aussi, la solution la plus commune est l’utilisation d’automates programmables. L’approche décentralisée s'est donc généralisée. « Nous plaçons un automate programmable et un écran Tactiveille dans chaque atelier, de façon à être au plus près des machines. S'il y a un problème, l’atelier s’arrête sans perturber le reste de l’usine. »
Pour Pascal Coste, responsable du marché environnement chez Rockwell Automation : « L’arrivée d’automates plus petits multiplie les applications. Ainsi, des fonctions qui n'étaient pas jusqu’à présent pilotées à distance, comme les dégrilleurs, le deviennent aujourd'hui. »
L'architecture adoptée est la suivante. Sur une même application, tous les capteurs et tous les actionneurs dialoguent avec l'automate qui les pilote, lui-même étant relié à la supervision du site. Rockwell Automation propose une solution à cette approche. Lancé en 1994, DeviceNet est un réseau de terrain ouvert aux capteurs et actionneurs ; il accepte les composants standards du bus CAN. En 1995 elle propose ControlNet, un réseau inter-automate ouvert aujourd'hui à tous les constructeurs d'équipements d'automatisme. Ce bus assure sur le même média les services de messagerie inter-automates, mais aussi le trafic d'entrées/sorties et les services d'échanges entre les automates et le système de supervision.
En Alsace, France Assainissement s'est engagé dans cette voie pour l'automatisation de la nouvelle station d'épuration réalisée
pour le compte du syndicat intercommunal de Wikiru (68). La principale originalité du système réside dans le fait que l'ensemble de l'instrumentation est raccordé à un réseau numérique. Au total, ce sont 30 capteurs qui dialoguent avec un automate TSX Premium de Schneider Electric, par le biais d'une liaison Modbus. Le bus permet de recueillir sur une simple paire torsadée toutes les informations de mesures ainsi que les statuts de fonctionnement des capteurs et les paramètres secondaires tels que la température, le comptage…
Cette architecture qui ne s'avère pas plus coûteuse qu'une solution classique offre à l'exploitant un confort et une maîtrise des équipements bien supérieure à ce qu'il est possible d'obtenir à partir de signaux 4-20 mA. Le logiciel Commuwin II, d'Endress+Hauser, permet d'accéder à toutes les chaînes de mesure à partir d'un point central afin de les régler, d'archiver ou de télécharger les configurations ou de réaliser un diagnostic rapide sur un dysfonctionnement éventuel.
Le logiciel fonctionne sous Windows.
Cette approche devrait sensiblement simplifier l'architecture des réseaux d'automatisme. À terme, celui-ci ne devrait plus contenir que des capteurs et des actionneurs reliés, par un bus, à un PC superviseur.
Cette tendance préfigure ce que seront les architectures d'automatisme du prochain millénaire. Déjà, l'arrivée des capteurs et des actionneurs intelligents est la prémisse de cette tendance.
Les capteurs et actionneurs intelligents arrivent
Jusqu'à présent, dans le domaine de l'eau, les informations fournies par les capteurs : niveau, débit, oxygène dissous, turbidité… ou par les actionneurs (vanne, moteur, pompe…) sont des données analogiques. La conversion du signal analogique en signal numérique exploitable par l'automate est réalisée sur une carte de conversion externe au capteur. Quelques appareils ont intégré cette fonction de conversion et délivrent un signal numérique. Mais l'arrivée sur le marché de l'eau des capteurs et des actionneurs « intelligents », c'est-à-dire capables de fonctions mathématiques, d'autodiagnostic, etc., pourrait modifier la donne. Il s'agit d'intégrer dans l'électronique du capteur un organe de type microprocesseur ou micro-contrôleur, et une mémoire de stockage des paramètres et des variables nécessaires à son fonctionnement.
L'intégration de l'intelligence dans les capteurs et les actionneurs n'est pas seulement le résultat d'une avancée technologique. Elle améliore leurs performances et leur disponibilité et facilite la maintenance. Ces constituants peuvent communiquer leur mesure ou leur état, via le bus capteurs-actionneurs ; il n'attend plus d'être interrogé. Il assure aussi son autodiagnostic. Les plus sophistiqués d'entre eux acceptent même d'être configurés en fonction de l'application ; cette configuration peut être téléchargée depuis le superviseur. Le traitement local de l'information permet alors d'élaborer une mesure, de contrôler une action, ou encore de valider l'opération avant de transmettre le résultat au système de contrôle.
Les premiers capteurs arrivent sur le marché par le biais d'entreprises comme Hydrologic qui met l'intelligence à la portée du secteur de l'eau. J. Neyroud, le PDG d'Hydrologic, y croit ferme : « L'avenir est aux constituants intelligents ». L'entreprise spécialisée dans la fourniture d'équipements de
Mesure pour le domaine de l'eau commercialise depuis quelques mois une instrumentation intelligente. En attendant la sortie de capteurs à l'intelligence intégrée, la centrale multicapteur Alphée 2000 est le produit le plus ouvert de son catalogue. Elle accepte quatre entrées analogiques (0-10 V ou 0/4-20 mA), quatre entrées numériques impulsionnelles (comptage ou codeurs incrémentiels) et quatre entrées tout-ou-rien (TOR) et dispose de deux sorties TOR et de deux interfaces de communication RS232C. La période d'échantillonnage des mesures est ajustable entre 5 secondes et 24 heures et l'appareil peut stocker jusqu'à 450 000 échantillons datés. Des fonctions de calcul permettent de réaliser une mesure virtuelle. Cette mesure peut être le résultat d'une étape de calcul interne. Elle a alors le même statut que les autres mesures. Il est ainsi possible de faire la différence entre deux mesures, puis comparer le résultat à un seuil, pour mettre en route un moteur.
« Cet équipement peut déclencher des actions. Il fonctionne un peu comme un automate programmable », explique J. Neyroud. Dans l'avenir, Hydrologic pense que les fonctions de calcul et le stockage des informations seront réalisés directement par l’intelligence des capteurs et des actionneurs.
Si aujourd'hui des organes intermédiaires (logiciel et matériel) sont encore nécessaires, à terme, c'est la puissance de calcul des constituants d’automatisme qui pourrait permettre de faire dialoguer directement les capteurs et les actionneurs. L'ensemble du programme est alors réparti dans tous les capteurs et actionneurs par téléchargement, délocalisant encore plus les fonctions d’automatisme. Le système se résumerait alors en des constituants intelligents et à une interface homme/machine (probablement un PC) reliés par un bus de terrain et supportant la supervision de l’ensemble. Cette approche permettra d'abaisser les coûts de connexion, de simplifier la mise en œuvre et le test et de faciliter la maintenance. Mais ne rêvons pas trop vite. La plupart des grands noms du contrôle-commande et des automatismes expérimentent cette approche qui ne sera pas disponible avant quelques années.
Orchestrer en temps réel
C'est le logiciel de supervision du système qui centralise l'ensemble des données du process. Placé en salle de contrôle, c'est lui qui assure l'interface Homme-machine.
À ce niveau, on dispose d’une vision globale de tous les paramètres influençant, ou ayant influencé, le procédé. Les historiques mémorisés par le superviseur permettent de comprendre la situation présente et optimisent le fonctionnement du procédé. Le logiciel de supervision réunit l'ensemble des informations permettant de juger de l’urgence et des moyens à mettre en œuvre pour rétablir les conditions normales de fonctionnement. Pour plus de fiabilité, il assure la détection automatique des incidents, la réduction des délais d’intervention, la sauvegarde des biens et des équipements.
Pour améliorer la convivialité de leur superviseur, les développeurs les ont dotés de fonctionnalités. Ainsi, InTouch, l’interface homme/machine conçue par l’américain Wonderware, bénéficie sur sa dernière version 6.0 pour Windows NT 4.0 de plusieurs nouvelles architectures en réseau, parmi lesquelles :
- la gestion des alarmes distribuées,
- la conversion dynamique des résolutions graphiques,
- le développement et la maintenance d’applications à distance, adaptées aux besoins des applications multipostes en réseau.
Sur le site de Bonneuil en France dans le Val d’Oise, InTouch supervise une station de 300 000 EqH. Les automatismes et la supervision ont été sous-traités par le groupement OTV-Degrémont à l’agence Ile de France de Spie-Trindel. L’équipement développé pour l'occasion se compose de cinq postes de supervision, dont un dédié à la maintenance. Au total 90 synoptiques et 3 500 points (gérés dans une base de données) permettent...
Traitement des stations d’eau usée de 20 000 à 40 000 EqH et aux unités de potabilisation dont la capacité de production est comprise entre 2 000 m³/h et 5 000 m³/h. FlowVision récupère en temps réel les informations du procédé puis il les stocke dans une base de données. Cet équipement gère la station de Voulx en Seine-et-Marne et envoie les alarmes du process par télégestion vers le personnel d’astreinte. « Nous avons adapté ce logiciel en y ajoutant une couche métier, explique M. Berquet, directeur de la branche traitement de l’information d’OTV, entre autres, nous avons sécurisé les commandes passées à partir du superviseur. » Pour améliorer la surveillance, FlowVision a différencié les alarmes de type process, qui sont affichées par bandeau tant qu’elles ne sont pas acquittées, des alarmes qui peuvent être filtrées, comme les coupures du secteur. Ces dernières sont alors simplement inscrites sur la liste des alarmes sans apparaître à l’écran du superviseur. « Si l’appareil détecte la panne d’un capteur analogique, il place l’installation sur un mode de repli, ce qui permet de sécuriser le traitement », ajoute-t-il encore.
D’autres artifices ont également été intégrés, comme la mise en place d’un filtre numérique sur les voies de mesure de façon à lisser les courbes dans le temps pour sécuriser l’information.
Pour faciliter l’exploitation des informations, la nouvelle génération de logiciels de supervision permet la mise en œuvre d’une architecture client/serveur. C’est-à-dire qu’à partir d’un poste maître, le serveur (il s’agit en général du poste de supervision), plusieurs postes délocalisés peuvent récupérer tout ou partie des informations du procédé pour exploiter les données acquises sur le terrain. Ceci permet, par exemple, de décharger le travail du poste de supervision de la gestion de la base et de l’exploitation des données.
Exploiter les données du terrain
Toutes les données acquises sont stockées dans une base de données organisée, avant d’être traitées. La récente compatibilité des superviseurs avec l’environnement Windows 95 et Windows NT optimise les fonctions OLE, ODBC et DDE. « Cette approche facilite l’exploitation des informations par des bases de données sécurisées telles que SQL Serveur ou Oracle », explique Christian Caurat.
À partir de ces données de process et des données analytiques entrées en manuel, il sera possible d’établir les bilans de fonctionnement de l’usine, répondant ainsi aux obligations d’autosurveillance définies par l’arrêté du 22 décembre 1994.
Pour faciliter cette opération, OTV Exploitation a développé Saxo, un système d’aide à l’exploitation. Installé à Mantes-la-Jolie, il se présente sous forme d’un tableur interactif prêt à recevoir les données. Une partie des informations du process est compilée dans le tableur. Elles permettent à l’exploitant de suivre au jour le jour le fonctionnement de son usine, tout en contrôlant la qualité du rejet. Il assure aussi la traçabilité des données d’exploitation et peut restituer, sous forme de tableaux de bord et de graphiques en couleur de lecture aisée, toutes les informations recueillies sur la période voulue.
À partir des informations de consommation de réactifs et d’électricité, on peut, par l’établissement de bilans et le suivi des courbes de tendance, optimiser le fonctionnement de l’usine.
La fiabilité de fonctionnement et la disponibilité des installations sont deux conditions essentielles pour le respect de la réglementation. D’où l’intérêt d’avoir recours à la GMAO (Gestion de Maintenance Assistée par Ordinateur) pour améliorer le fonctionnement de l’unité de traitement. Pour réaliser un diagnostic, de nombreuses informations sont disponibles au niveau du terrain comme les bilans de fonctionnement, les temps de marche, le nombre de mises en route pour les pompes… Par ailleurs, les capteurs numériques sont souvent capables de signaler une dérive ou un dysfonctionnement.
De même que les automates qui sont aujourd’hui dotés de fonctions de diagnostic. Dans ces appareils, plusieurs paramètres sont surveillés comme les alimentations internes, le cycle de chien de garde, les mémoires, l’analyse de signature du programme, la procédure de double lecture des informations sur le bus, le bon fonctionnement des modules... En cas de problème, ou d’anomalie, une alarme est émise et déclenche une opération de maintenance.
Pour assurer ces tâches au niveau des stations de traitement des eaux, les exploitants ont adapté des logiciels de GMAO aux besoins spécifiques des traiteurs d'eau. Ainsi chez OTV, c’est en adaptant Partner, un logiciel de GMAO développé par Générale de Maintenance, une filiale de Générale des Eaux, qu’est né MAXO, son logiciel de maintenance assistée de l’exploitation. Préconfiguré pour le marché de l’eau, il possède certaines fonctionnalités, dont celle d’identifier les différentes causes de défaillances des équipements à partir des rapports d’interventions effectués sur chacun d’entre eux. Préalablement à la mise en route de l’unité, tous les organes sont passés en revue. La conformité du matériel est vérifiée. Les automatismes contrôlés, de même que l’étalonnage des capteurs. Une base de données parfaitement renseignée permet alors de partir d’un bon pied.
