Un nouveau système de téléconduite de réseau d'eau

Un système de téléconduite, qui permet de connaître l'état du réseau en permanence et de configurer ses équipements de manière optimisée, est une aide précieuse pour l’exploitation. C’est d'un tel système que s’est doté le réseau rural des Mauges-Gatine en Maine-et-Loire, géré par la Compagnie Générale des Eaux.

Nous avons développé des systèmes de téléconduite pour les réseaux d’électricité, puis les réseaux d'eau, en utilisant les derniers développements des techniques de télétransmission et de micro-informatique. Grâce à celles-ci, ces systèmes ont des applications intéressantes pour les plus petits réseaux d’eau en raison de leurs excellentes performances. Nous allons voir à travers l’exemple de ce réseau les objectifs d’exploitation recherchés puis le choix des caractéristiques techniques d’un système de téléconduite.

LE RÉSEAU DE MAUGES-GATINE

Ce réseau, constitué de plus de 3 200 km de canalisations desservant 126 communes, distribue jusqu'à 40 000 m³/jour pour 130 000 habitants. Il dispose d'une usine de pompage (figure 1) sur la Loire près de Montjean et de stations réservoirs et de reprise situées jusqu’à 40 km de distance. Après une consultation portant sur un grand nombre de sociétés, la Direction Départementale de l'Agriculture a retenu notre projet pour la réalisation du système de téléconduite du réseau d'eau.

Le service de distribution d'eau a pour objectifs principaux :

• — d’assurer le bon fonctionnement des ouvrages d’alimentation et d’adapter la configuration du réseau à la demande ;
• — de distribuer une eau de qualité à une pression suffisante ;
• — de réduire le coût de production au minimum en sélectionnant les pompages en fonction du coût de l'énergie et du traitement ;
• — d'assurer le service des abonnés.

Selon la situation et l'âge des réseaux d'eau en France, les frais directs de personnel peuvent représenter jusqu’à 55 % du prix de l'eau, l'achat de l'énergie jusqu'à 10 %. C'est sur ces deux postes, totalisant jusqu’aux deux tiers du prix de l'eau, que les systèmes de téléconduite apportent un service important.

Pour le réseau de Mauges-Gatine, le choix s'est orienté rapidement vers un tel système à cause de la distance importante séparant les stations de pompage et stations réservoirs de l’usine principale, et de la nécessité de coordonner la marche de ces stations depuis l’usine.

Le poste central installé dans l’usine a pour fonctions principales :

• * la surveillance de l’état du réseau, des niveaux d'eau et des compteurs ;
• * la commande des groupes et des vannes ;
• * l'automatisme des programmes de pompage en fonction des seuils de niveaux d'eau, des rendements des pompes, de la tarification E.D.F.

L'exploitant dispose, pour le dialogue homme-système, d'un synoptique visualisant les alarmes et l'état du réseau, d'une console de visualisation pour la commande des équipements et l'automatisme des programmes de pompage. Un calculateur LSI 11-2 de DEC (32 kmots) anime le synoptique et la console de visualisation et reçoit, via un frontal de télétransmission, toutes les informations des stations par liaison radio. Les informations de l'usine sont collectées par fil vers l'unité centrale par des cartes d'entrées/sorties industrielles.

Pour assurer la couverture radio sur une grande zone géographique, un relais a été installé sur un château d'eau élevé de la région, couvrant jusqu'à 60 km de distance (figure 2).

Quels sont les avantages de ce système ?

Amélioration de l'efficacité du personnel.

Une surveillance globale et rapide du réseau depuis le poste central améliore l'efficacité du personnel dans la conduite et le dépannage des installations.

En effet, le système de téléconduite permet actuellement de recevoir les alarmes du réseau par type et par degré d'urgence : alarme trop plein, manque d'eau réservoir, alarme groupe ou surpresseur, défaut secteur, défaut chloration, etc.

Les alarmes provoquent le clignotement de lampes sur le synoptique, déclenchent un klaxon pour les plus urgentes et avertissent l'exploitant par le réseau de radiotéléphone installé sur les véhicules d'« astreinte ».

Le système permet de recevoir des mesures analogiques telles que pression d'eau dans les canalisations, hauteur d’eau dans les réservoirs. Les capteurs de niveau d’eau permettent une précision meilleure que 10 cm sur la hauteur totale d’un réservoir. Les niveaux des réservoirs sont visualisés sur des enregistreurs. Des télécomptages peuvent être transmis pour des contrôles de débit d'eau, d'énergie électrique consommée, de marche horaire de groupes. Toutes ces informations permettent de connaître en détail l’état du réseau et d’en améliorer le fonctionnement.

Pour l'adaptation du réseau à la demande, il est possible de faire des télécommandes de Marche/Arrêt Groupe, Ouverture/Fermeture Vanne à l'aide de la console de visualisation et d'un pupitre à touches fonctionnelles étudiées pour la facilité de dialogue (figure 3).

Ces fonctions réduisent beaucoup les déplacements du personnel en voiture.

Amélioration de l'exploitation.

Grâce aux informations fournies avec précision et rapidité sur le réseau d'eau, une meilleure exploitation est obtenue en offrant un service sans discontinuité et en augmentant la sécurité.

Des programmes de pompage, en fonction de la demande variable dans l'année, sont introduits au poste central. Ils permettent de lisser les pointes de demande tout en conservant les réserves de sécurité, prolongeant ainsi la capacité de distribution du réseau.

La connaissance immédiate et précise des pannes, outre qu'elle rend plus efficace les interventions de dépannage, permet de démarrer des programmes de secours et d’utiliser au mieux les réserves connues.

Enfin une meilleure exploitation du réseau est obtenue par la tenue à jour de tableaux de bord : qualité de l'eau et pression fournies par les capteurs de mesure, mètres cubes d’eau produits et distribués fournis par les compteurs, temps de fonctionnement des pompes ou équipements pour opérations d’entretien, etc.

Diminution des coûts d’énergie

L'optimisation de l'exploitation du réseau nécessite des choix économiques permettant de diminuer les coûts d'énergie. Dans les stations de pompage, les programmes tiennent compte, outre des niveaux d'eau réglables dans les réserves d'eau et des heures creuses, du choix des pompes de meilleur rendement, des tarifs les plus économiques (figure 4). Tous ces paramètres variables peuvent être affichés sur un écran de visualisation et modifiés par un dialogue opérateur simple. L’économie d'énergie apportée permet un gain appréciable sur le coût de l'eau.

LE MODE OPERATOIRE

Un dialogue simplifié est conçu à partir d'une console de visualisation et d'un pupitre fonctionnel pour un opérateur n'ayant aucune formation informatique (figure 5).

Une image générale de l'état du réseau est affichée lorsqu’aucun dialogue n'est demandé. Cette image contient la date et l'heure puis quatre zones mises à jour en permanence :

— Compteurs horaires de marche des groupes. — Mesures de volumes d'eau données par les compteurs. — Mesures de pressions données par les capteurs de pression. — Alarmes de transmission.

Lorsque l’opérateur demande un dialogue, il appuie sur la touche correspondante :

— Commande des groupes. — Commande des vannes. — Affichage des paramètres d’automatisme.

Pour la commande d'un groupe par exemple, l'opérateur appuie sur la touche GROUPE : la liste des groupes à commander apparaît sur une image. Puis, par une touche de positionnement, il sélectionne le groupe à commander. Après un contrôle du calculateur pour savoir s'il n'y a pas de verrouillage sur le groupe, l’opérateur agit sur les touches MARCHE ou ARRET puis EXEC, permettant à l’ordre d’être exécuté.

Pour le changement des paramètres d’automatisme tels que niveaux d'eau, heures de pompage, choix des groupes, l’opérateur, par une touche de positionnement, désigne le paramètre à changer puis introduit les nouveaux chiffres. Le calculateur vérifie que le nouveau paramètre est compatible avant de le prendre en compte.

Le dialogue est conçu pour éviter toute erreur dans l’envoi de commandes ou l'affichage de paramètres.

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DES SYSTEMES DE TELECONDUITE

La recherche d'un système de téléconduite adapté à la configuration et à l'exploitation du réseau d’eau passe par des choix d’équipements dans les sous-stations et au poste central. Des variantes dans la configuration du poste central ainsi que le choix du support de transmission sont évoqués à la fin de ce chapitre.

Les stations de télétransmission

La sous-station démarre son programme lorsqu'elle est mise sous tension ; on vient alors mettre à jour les compteurs par des touches d’affichage. Pour que la sous-station prenne en charge les commandes

Depuis le poste central, l'opérateur agit sur un commutateur positionné à distance (figure 6).

La sous-station fonctionne en bidirectionnel et transmet les informations nécessaires au poste central avec grande rapidité et sécurité. Le poste central demande toutes les 5 minutes les informations des sous-stations et envoie les commandes et consignes. La sous-station, en cas d'alarme urgente, appelle immédiatement le poste central. Enfin, le dépannage est facilité par des moyens de tests sur le matériel et la programmation.

L'utilisation d'un microprocesseur dans la sous-station augmente les performances en puissance de traitement, rapidité et sécurité de transmission. Une vitesse de 300 bits/seconde (600 et 1 200 bits/seconde en option) donne un temps d'interrogation d'une station inférieur à une demi-seconde. Des informations de sécurité sont ajoutées au message pour détecter les erreurs de transmission. Un code de redondance cyclique, code Hamming distance 6, garantit une meilleure détection sur un support de transmission subissant des perturbations (parasites, distorsions, diaphonie, intermodulation, etc.). Les erreurs détectées provoquent la répétition du message.

Le type d'informations traitées dans les sous-stations est varié :

• 32 signalisations et alarmes ;
• 8 mesures analogiques ;
• 5 comptages d'impulsions ;
• 16 commandes ;
• 2 consignes analogiques.

Le nombre d'informations est modulaire et facilement étendu.

Pour faciliter l'utilisation et le dépannage des cartes, l'affichage par voyants et chiffres lumineux des informations est pratique pour un personnel non spécialisé.

Toutes les informations sont isolées galvaniquement pour se protéger contre les parasites tels que surtension, court-circuit, foudre, etc.

Un dispositif de sauvegarde est prévu en cas de panne d’alimentation par chargeur batterie 220/12 V. La batterie de secours permet d'augmenter l’autonomie de marche de l’équipement de télétransmission et des capteurs les plus importants (hauteur d'eau, trop plein, manque d’eau). La recherche d'une faible consommation donne une augmentation de l’autonomie et dans les réservoirs non alimentés en 220 V, ce critère est particulièrement étudié.

Choix du poste central

Il reçoit des sous-stations toutes les informations nécessaires et les visualise à un opérateur qui peut dialoguer avec le système. Il s'adapte facilement jusqu’à 250 stations et permet des fonctions de traitement multiples.

Une conception modulaire du matériel facilite les extensions, permet une grande rapidité de dépannage et résiste mieux à l'obsolescence des différents équipements.

L'utilisation d'un microprocesseur frontal de transmission adapté au support et relié par une liaison standardisée à tout type de mini-calculateur ou microprocesseur central permet une bonne séparation des fonctions de dialogue opérateur et de télétransmission des stations. Chaque fonction peut évoluer séparément avec des périphériques de dialogue différents.

Les moyens de dialogue avec un opérateur sont : le synoptique, la console de visualisation et les enregistreurs. Le synoptique est simple d’utilisation mais ne présente pas d’évolutivité en fonctions et en nombre d’informations. Il est utilisé dans les grands réseaux comme schéma général résumant les informa-

Stations et dans les très petits réseaux pour la visualisation des mesures et alarmes et la commande simplifiée des équipements. Des enregistreurs sur le synoptique assurent des suivis de mesure très précis.

La console de visualisation présente une richesse de dialogue et une évolutivité beaucoup plus grande : état général du réseau, état détaillé des stations, tableau des alarmes, mesures, schéma de boutons de commande remplaçant un pupitre, affichage de paramètres d'automatisme modifiables par l'opérateur : cela remplace avantageusement les roues codeuses, commutateurs et boutons-poussoirs d'un pupitre de commande moins évolutif. Le dialogue conçu pour un opérateur n'ayant aucune formation d’informaticien utilise un clavier à touches fonctionnelles de maniement très simple.

D’autres équipements peuvent être utilisés au Poste Central :

L'imprimante, outre son utilisation possible en recopie d'une image de console de visualisation, peut éditer un journal de bord, des tableaux demandés à heure fixe ou par l'opérateur. La centrale d'alarme téléphonique permet l'appel automatique de plusieurs numéros et la diffusion en clair des messages. La technologie de la synthèse de la parole rend possible un grand nombre de messages variés pour de faibles coûts.

Variante de configurations au poste central.

Le Poste Central peut être relié à distance à des opérateurs mobiles, à d'autres postes centraux ou à des équipements de dialogue à distance :

• • Opérateurs mobiles :Un opérateur utilisant un véhicule radio et devant réaliser l'exploitation de son réseau dispose d'un poste central mobile transportable constitué d'une console de visualisation et d'un pupitre à touches fonctionnelles. Toutes les fonctions principales du poste central sont reportées dans le poste mobile.

• • Liaisons avec d'autres postes centraux :Celles-ci sont réalisées si des interconnexions sont possibles entre les réseaux pour des échanges d'information : autorisation d’échange d'eau, commande de vannes, volumes d’eau échangés. Une autre possibilité d’interconnexion entre postes centraux est réalisée lorsqu'un service d'exploitation couvre une très grande zone géographique (jusqu'à 200 km). Ce service utilise alors des postes centraux locaux couvrant des zones inférieures à 50 km et reliés entre eux par un poste central général situé au siège d’exploitation.

• • Liaison avec équipements de dialogue à distance :Le siège d'exploitation peut utiliser un équipement de dialogue tel qu'une console de visualisation pour interroger à distance le poste central concernant les données générales, tableaux de bord de fonctionnement de l'usine, échanges d'eau, etc.

Il est à remarquer que le poste central se trouve souvent dans l'usine principale de distribution d'eau, le calculateur central permettant en même temps de gérer les informations de l'usine et d’assurer ses automatismes. Cette configuration est économique pour les petites usines de distribution d'eau. Lorsque l'usine est importante, deux calculateurs assurant indépendamment d'une part la gestion du réseau, d’autre part la gestion de l'usine sont plutôt utilisés.

Choix du support de transmission

• — La radio en bande 40, 80, 160 ou 400 MHz peut porter en vue directe jusqu'à environ 80 kilomètres. Les obstacles du relief peuvent nécessiter l'installation de relais pour améliorer la portée. La radio a la préférence des réseaux de campagne et des villes moyennes mais l'encombrement des fréquences commence à limiter leur utilisation surtout dans les régions de grande densité de population. Pour y remédier, les normes nouvelles des P.T.T. demandent l'utilisation en temps partagé des fréquences radio et imposent un temps de transmission limité à chaque utilisateur.
• — La ligne spécialisée P.T.T. est affectée en permanence à l'utilisateur qui en a la pleine disponibilité. D'une utilisation fréquente en ville, elle est plus rare dans les régions de faible densité de population. Elle permet des vitesses de transmission élevées et des volumes d’échanges importants d’informations avec sécurité. Elle est soumise à des risques accidentels de rupture demandant des temps de dépannage assez longs.
• — Le réseau commuté P.T.T. est utilisé pour des échanges de transmission ayant des cycles répétitifs très espacés dans le temps ou pour des transmissions d'alarmes aléatoires. Les vitesses de transmission sont lentes et dépendent de la qualité de la ligne.

La souplesse d'installation du support « réseau commuté » permet de l'utiliser en secours des autres supports dans les sous-stations.

Pour chacun de ces supports, le critère économique est le coût d'investissement représentant pour la radio l’achat du radiotéléphone et de l’antenne, pour la ligne spécialisée ou le réseau commuté, les frais de raccordement au réseau P.T.T. et l’achat des équipements interfaces adaptés.

Le coût d’investissement de l’équipement radio est le double de l’équipement utilisé pour la ligne spécialisée ou le réseau commuté.

Le coût d’exploitation est pour la radio la taxe de licence annuelle, pour la ligne spécialisée P.T.T. la redevance de location proportionnelle à la distance kilométrique, pour le réseau commuté la tarification des appels téléphoniques avec, pour critère de comparaison des supports, (4 + n) appels par jour en moyenne. Des tableaux comparatifs donnent des ordres de grandeur de coûts pour une station de pompage ou un château d’eau transmettant à la vitesse...

de 300 bauds pour des distances d’éloignement au poste central de 5, 10, 20 et 50 km.

Coût d'exploitation annuel par station et par support de transmission

n : nombre d'appels par jour d'une station, au-delà de 4

CONCLUSION

Des outils informatiques nombreux existent déjà pour améliorer la surveillance des réseaux d'eau et leur exploitation. Ils se perfectionnent par leur miniaturisation, leur faible coût, leur facilité d’utilisation et de maintenance. Ils utilisent les facilités de communication offertes par les équipements de dialogue évolués tels que consoles de visualisation et les réseaux de transmission classiques pour communiquer à distance. Nous proposons des centrales d'alarme par messages phoniques en clair utilisant la synthèse de la parole pour des postes de surveillance simplifiés.

Notre expérience dans la conception des systèmes de téléconduite permet des applications dans des domaines d’application variés : réseaux d'énergie (électricité, gaz, pétrole) ; réseaux de mobiles équipés de radiotéléphones (autobus, véhicules d'intervention) ; réseau de surveillance de bâtiments administratifs et industriels. Dans le domaine de l'eau, des systèmes de plus en plus nombreux équipent maintenant les réseaux de distribution et d’assainissement principalement dans les campagnes pour des réseaux étendus (figure 8) et dans les villes.

• niveaux
• débits
• comptage d’effluents