Un exemple d'automatisation d'un réseau de distribution d'eau potable de moyenne importance : celui du syndicat des eaux de Haute-Loue

Actuellement, il est possible d’envisager la transposition de ces techniques, à un coût raisonnable, à des réseaux ruraux de moyenne importance. La mise en œuvre de systèmes de télésurveillance et d’automatismes simples, mais conservant un fonctionnement proche de l’optimum, permet de résoudre bien des problèmes et d’améliorer le service rendu.

Confrontés nous-mêmes sur notre syndicat à un certain nombre de problèmes spécifiques, nous avons décidé, en liaison avec la Société Gaz et Eaux, de faire appel à ces moyens modernes (télétransmission, automates), pour améliorer la gestion de notre réseau de distribution d’eau potable.

Quelques mois après la mise en service, nous pensons que les résultats obtenus sont conformes à nos espérances et il nous a semblé utile de décrire notre expérience.

G. Brenet Maire de Mamirolle Président du Syndicat

LE RÉSEAU DU SYNDICAT

Le Syndicat Intercommunal des Eaux de la Haute-Loue regroupe une centaine de communes du Doubs qui ont mis en commun leurs moyens de production et de distribution d’eau potable. Il s’agit d’un réseau à caractère rural, situé dans une région du Jura assez accidentée et permettant de distribuer environ 10 000 m³/j. Le réseau de distribution se décompose en deux sous-réseaux, sous la dépendance de deux réservoirs principaux : Suchaux et Hautepierre (figure 1).

Les moyens de production, situés sur la commune de Lods, présentent une structure plus complexe. Ils se composent :

• — de deux forages S₁ et S₂ refoulant dans une bâche d’exhaure, dite Sucrue (S₃), située à mi-pente à la cote 534 m,
• — de la source de La Tuffière, qui alimente gravitairement la bâche S₂ de Sucrue. Cette source a un régime karstique : son débit augmente brusquement en cas de fortes pluies, pour décroître ensuite sur deux jours. Ces variations brutales de débit s’étalent entre 0 et 380 m³/h.

• — d'une station de refoulement reprenant les eaux de Source S₂ vers les réservoirs pilotes de Hautepierre (cote 864) et Suchaux (cote 729) (4 combinaisons de pompes sur chaque refoulement permettant quatre débits potentiels différents),
• — d'une station d’exhaure récente Montgesoye refoulant directement de la cote 361 à la cote 729, sur le réseau Suchaux (2 débits possibles).

LES PROBLÈMES POSÉS

La gestion de ce réseau posait trois types de problèmes :

Surveillance et sécurité de fonctionnement

Le réseau de distribution du syndicat est très long et ramifié. Il fonctionne à des pressions élevées pouvant aller jusqu'à 35 bars, ce qui a nécessité la mise en place de divers appareils de régulation.

Le premier problème posé était donc d’assurer la surveillance en continu de ce réseau, afin de pouvoir intervenir rapidement et efficacement sur le site défectueux en cas d'incident. Cette surveillance devrait permettre d'améliorer considérablement la sécurité de fonctionnement et le service rendu à l'usager.

Réservoirs

Les réserves d’eau potentiellement disponibles étaient réparties entre les deux réservoirs pilotes principaux : 6 400 m³ et quatre-vingts réservoirs communaux. Malheureusement, ces réservoirs communaux alimentés gravitairement par les réservoirs pilotes étaient toujours pleins et ne pouvaient jouer le rôle de tampon, permettant de lisser les pointes de consommation horaire ; d’où des problèmes de survitesse dans les canalisations, accompagnés de désagréments annexes tels que coups de bélier, ramonages, etc.

Il convenait donc de mettre en place un dispositif permettant de faire « marner » ces réservoirs communaux et d'utiliser leur capacité de stockage. L'idéal était bien sûr de les vider dans la journée et de les remplir la nuit, pendant les périodes tarifaires E.D.F. les plus avantageuses.

Rationalisation du pompage de refoulement et d’exhaure

La rationalisation du pompage de refoulement dépend de la résolution du problème précédent.

Celle du pompage d’exhaure est liée au problème de la source de La Tuffière : cette source permet d’alimenter gravitairement la bâche S₂, donc sans dépenses d’énergie (alors que les forages d’exhaure demandent un refoulement de 170 m), mais elle présente un débit aléatoire, pouvant varier brusquement en quelques heures.

En période de forts débits, La Tuffière est capable d’assurer quasiment seule la production : tout fonctionnement des forages durant cette période conduit au débordement de la bâche d’exhaure S₂ et à une perte d’eau en provenance de La Tuffière dont le coût de production est nul.

À l'inverse, en période de faible débit de La Tuffière, tout retard dans l’enclenchement des forages entraîne un manque d'eau.

De plus, La Tuffière n’est pas équipée de dispositif de mesures de débit et l’appréciation de son débit se faisait jusqu'à ce jour, de manière manuelle, « à l’estime », dans un endroit d’accès difficile.

LES SOLUTIONS RETENUES

Le réseau de télésurveillance

Pour résoudre les problèmes de surveillance et de sécurité de fonctionnement, il a été décidé d’implanter un réseau de télésurveillance sur l'ensemble du Syndicat. Les points stratégiques du réseau ont été équipés de pressostats délivrant des alarmes « pression trop haute » ou « pression trop basse » en cas d’incident sur les réseaux.

Les niveaux des réservoirs principaux sont mesurés en permanence. Par souci d’économie, la mesure continue classique a été remplacée, sur les réservoirs de moindre importance, par une mesure discontinue en décomposant les réservoirs en quatre « tranches de niveau ». Cette visualisation du niveau est moins précise mais suffisante dans ce type d’application.

Les moyens de production sont également entièrement télécontrôlés (débit, pression, état de fonctionnement des pompes) et télécommandables.

Les alarmes dont la fréquence d’apparition est faible sont retransmises par un système Printalarm de Télétronic utilisant le réseau commuté P.T.T.

Les informations relatives aux moyens de production qui nécessitent une surveillance continue sont retrans-

mises par un système Cenet à interrogation/réponse, utilisant une liaison spécialisée P.T.T.

Le poste central Cenet situé dans les bureaux de la société Gaz et Eaux, à Lods, gère les différentes informations reçues par réseau commuté ou liaisons spécialisées, et les restitue sur imprimante. Le clavier de l’imprimante sert également à passer les télécommandes.

En dehors des heures de travail ouvré, les hommes d’astreinte (Réseau ou Production) sont avertis spécifiquement et automatiquement, par voie téléphonique ou par dispositif Eurosignal, de tout incident de fonctionnement éventuel.

Le poste central, piloté par un micro-processeur, conçu de manière modulaire, pourra être complété ultérieurement par :

• — l’adjonction d’une visualisation « graphique couleur » permettant notamment la création de synoptiques animés destinés à faciliter l’exploitation.
• — l’adjonction d’une « mémoire de masse » (floppy disk), permettant le stockage, le traitement des données (télémesures) et l’édition de journaux de bord sur de longues périodes.

Pour l’instant, les télémesures sont restituées sur enregistreurs banalisés à six pistes. Tous les dialogues « d’exploitation » et de « configuration systèmes » ont été conçus en mode conversationnel, de façon à pouvoir être utilisés facilement par du personnel non informaticien. La figure 2 schématise la structure du système retenu pour les télétransmissions.

Les réservoirs

Une pré-étude de fonctionnement des réservoirs communaux a montré qu’il était possible de résoudre à 80 % le problème du marnage des réservoirs, si l’on maîtrisait bien le fonctionnement de sept de ces réservoirs (parmi les 80 réservoirs communaux), qui avaient une importance prépondérante.

Les robinets « Lezier » de ces 7 réservoirs ont donc été équipés d’électro-vannes pilotées par un petit automatisme à horloge. Ainsi, les robinets restent fermés le jour (tant que le réservoir n’est pas vide) et s’ouvrent la nuit (tant que le réservoir ne déborde pas).

Ceci revient à gonfler artificiellement les volumes des réserves utilisables et, en conséquence, à diminuer le refoulement en heures pleines E.D.F. au profit du refoulement en heures creuses de nuit.

Ces petits automatismes très simples ont été implantés sur des cartes à faible consommation, développées pour cette application, et qui peuvent être alimentées par batteries ou cellules solaires lorsqu’on ne dispose pas d’alimentation E.D.F.

Rationalisation du pompage

1. Les variables externes

Rationaliser le pompage consiste à établir le plan de pompage le plus efficace et le plus économique, utilisant au mieux les installations existantes. Ce plan de pompage doit s’adapter en permanence aux « variables externes » du système dont nous ne sommes pas maîtres :

a) Les consommations

Elles varient en cours de l’année :

• Réseau Suchaux : 5 000 à 6 500 m³/j
• Réseau Hautepierre : 3 400 à 4 500 m³/j

Une analyse plus fine de ces consommations a permis de montrer qu’elles restaient sensiblement constantes sur de longues périodes (10 jours avec une incertitude de 200-300 m³) et que des consommations moyennes (de 5 600 m³/j pour Suchaux et 3 700 m³/j pour Hautepierre) permettaient de couvrir 85 % des cas de figure.

Nous avons donc travaillé sur ces deux valeurs moyennes fixes. Bien entendu, ces deux valeurs pourront être affinées ultérieurement, notamment lorsque le réseau de télétransmission mis en place aura permis de stocker et d’analyser un nombre suffisant de données.

De toute façon, comme nous le verrons par la suite, les dérives ou erreurs induites par la prise en compte de cette valeur moyenne à la place de la valeur réelle du jour considéré, seront corrigées par un module spécial du programme, dit « module contrôle ».

b) Le débit de la source de La Tuffière

Ce débit est une variable essentielle du problème puisqu’il varie brusquement de 0 à 380 m³/h, et qu’il régit le pompage d’exhaure. Il importe donc qu’il soit connu d’une manière permanente.

Notons au passage un des avantages de l’automate programmable : la source de La Tuffière se trouve dans un endroit difficile d’accès et n’est pas équipée de dispositif de mesures de débit; la mise en place d’un

automate programmable à la station de refoulement a permis de calculer ce débit (par variations du niveau de la bâche S2, corrigée des débits d’exhaure et de refoulement). On a évité ainsi la mise en place d’un débitmètre lourd et coûteux.

2. Le programme « Commandes optimales »

La connaissance de ces deux « variables externes » permet d’établir un catalogue des « commandes optimales » obéissant aux critères suivants :

— utiliser au mieux les réserves disponibles, et transférer au maximum le pompage des heures pleines vers les heures creuses E.D.F. Ceci est rendu possible grâce au dispositif décrit plus haut, — arrêter les pompes en heures de pointe et, d’une manière générale, diminuer les puissances souscrites au strict nécessaire, — utiliser les pompes possédant le meilleur rendement.

Dans le cas de Lods, nous disposions de différentes combinaisons possibles de pompes, qui nous donnaient des possibilités intéressantes de choix (figure 3).

3. Le programme « Contrôle » : programme de « bouclage »

Si l'on se contente de ce programme « Commandes optimales », on obtient un système automatique « ouvert » ; or nous avons vu que, compte tenu des hypothèses simplificatrices faites sur les consommations ou du fait d’incidents pouvant apparaître sur le pompage ou le réseau, on pouvait constater des « dérives » par rapport aux résultats théoriques calculés par le programme « Commandes optimales ».

Ces dérives doivent être rattrapées par un système « bouclé ». Le bouclage est réalisé par un programme « Contrôle des cuves », dont la mission principale est d’empêcher les cuves de déborder ou de se vider. Ce programme modifie les commandes proposées dans « Commandes optimales », lorsqu’on atteint les niveaux hauts et bas des réservoirs, et provoque un démarrage ou un arrêt des pompes en cascade (principe du clignotage des pompes).

On assure ainsi la fonction « Sécurité » essentielle pour le distributeur d'eau, mais on s'éloigne quelque peu de la fonction « Optimisation ». En fait, dans ce type d'application, cet inconvénient nous a paru minime pour deux raisons :

a) calculée sur une année la durée de fonctionnement sous programme « Contrôle » est faible, donc les pertes par rapport à « l’optimale » sont marginales, b) l'utilisation de l’automate programmable permet d’avoir dans les cuves des niveaux de contrôle bien différenciés et facilement réglables (figure 4).

Commande correspondante

Niveau          Valeur d’inhibition réservoir  
MAX = 1         MAX = 0 ou Heures pleines  
(Arrêt Suchaux prioritaire)    (Arrêt Montgesoye prioritaire)  
5 m 95     A : Arrêt total Montgesoye  
5 m 80     inhibe A   B : Arrêt 1ʳᵉ pompe Montgesoye  
5 m 60     inhibe C  
4 m 00     > : Arrêt 1ʳᵉ pompe Montgesoye  
n m 80     inhibe D   E : Arrêt 1ʳᵉ pompe Suchaux  
…  
inhibe T        3 niveaux bas variables suivant les périodes :  
T = Marche 1ʳᵉ pompe Suchaux (6 h – 9 h)  
U = Marche 2 pompes Suchaux (9 h – 18 h)  
                                (18 h – 6 h)  

Hauteur totale : 6 m Volume : 3 200 m³ (1 000 m³ pour les 3 premiers mètres) Niveau de sécurité : 1 m 60

Avec un peu d’expérience, l’exploitant pourra ajuster facilement ces niveaux en fonction du degré de sécurité qu'il veut obtenir, et des circonstances exceptionnelles auxquelles il doit faire face.

4. Les programmes annexes

Le programme est complété par :

– un module « ECO – E.D.F. » qui permet de limiter les puissances souscrites en heures pleines, en verrouillant les combinaisons de pompes dépassant la valeur déclarée ;

– un module « exécution des commandes » qui assure toutes les fonctions annexes : cycle de démarrage des pompes, etc.

L’organigramme (figure 5) donne la structure du programme « Rationalisation du pompage » tel qu’il a été réalisé.

5. L’automate programmable

La démarche suivie pour la résolution des problèmes posés a été une démarche très pragmatique que nous avons préférée, dans ce cas particulier, à des méthodes plus sophistiquées telles que les méthodes dites de « Recherches opérationnelles » ou « Programmation dynamique ». En effet, de telles méthodes auraient conduit à l’implantation d’un petit ordinateur disposant d’un langage relativement évolué, comme le Basic, et les résultats n’auraient pas été beaucoup plus performants ; l’exploitant qui n’a aucune formation d’informatique aurait été certainement beaucoup plus perturbé.

Le programme tel qu’il a été décrit précédemment a pu être implanté sur un automate programmable P.B. 100 commercialisé par Merlin-Gérin. Il s’agit d’un appareil « bas de gamme », fonctionnant grâce à une unité centrale à micro-processeur (6800) et possédant un jeu de 32 instructions. Sa capacité-mémoire est de 2 K mots de 16 bits pour les données et le programme, capacité qui a été utilisée à plein dans notre application.

Un coupleur asynchrone permet la liaison à une imprimante. Pratiquement, l’automate est très performant pour le calcul et le traitement des fonctions booléennes sur 1 bit. Il sait également réaliser les opérations élémentaires (addition, soustraction) sur les mots de 16 bits et autorise les adressages directs, indirects ou indexés. Mais l’expérience montre qu’il ne doit pas servir à traiter des calculs, ce que nous nous sommes efforcés d’éviter dans notre approche.

LES COÛTS

Au terme de cet exposé descriptif, il nous a paru intéressant de donner quelques ordres de grandeur des coûts (H.T.) :

a) Système des télétransmissions  
— Équipements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  350 000 F  
— Installation  
   Mise en place capteurs  
   Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . .  120 000 F

UN PREMIER BILAN...

L’automate programmable a été installé au printemps 1982 et le système de télétransmissions a été mis en service à l’automne 1982. Comme toujours dans ce type de réalisation, la mise en service et la mise au point des équipements ont demandé un effort continu pendant deux à trois mois, période pendant laquelle le personnel local a dû se roder à ce nouveau mode de gestion : cette adaptation s’est faite sans difficultés majeures, le personnel d’exploitation recevant ces techniques nouvelles comme un enrichissement personnel.

D’ores et déjà, on peut dresser un premier bilan :

— le réseau et les moyens de production sont entièrement télécontrôlés, ce qui, sur un réseau rural très étendu, réduit les délais d’intervention en cas d’incident et soulage le personnel d’exploitation de rondes fastidieuses et souvent inefficaces. Ce personnel peut alors concentrer ses efforts sur la gestion proprement dite et tirer le meilleur parti des équipements publics que lui a confiés la collectivité. L’effort de réflexion mené au cours du projet a permis d’obtenir une meilleure connaissance du réseau. Tout cela concourt globalement à une amélioration du service rendu à l’usager.

— la rationalisation et l’automatisation du pompage ont permis un transfert d’environ 2 000 m³ de refoulement du jour vers la nuit et une adaptation des contrats passés avec E.D.F. en conséquence. On répond ainsi aux préoccupations des pouvoirs publics — et d’E.D.F. en particulier — d’avoir une meilleure répartition des consommations électriques sur la journée et on bénéficie des incitations financières qui en découlent.

— bien qu’il soit encore trop tôt pour donner un chiffre définitif, on peut estimer que l’utilisation de la source de La Tuffière a été augmentée dans les proportions de 20 %.

La Société Gaz et Eaux ne disposant sur place que d’une infrastructure technique légère, le projet a pu être réalisé grâce au concours actif d’un stagiaire de l’École des Mines de Paris, travaillant en liaison avec les spécialistes de la Société Lyonnaise des Eaux et le personnel local de la Société Gaz et Eaux.