Automatisation des stations de pompage : la montée vers le Cloud

Poste de relevage d’eaux usées isolé, installation de captage d’eau brute dans une nappe ou surpresseur en sortie d’usine de production d’eau potable : autant de stations de pompage différentes, autant de besoins spécifiques en termes d’automatisation. La plupart des fabricants d’automates intervenant dans ce domaine proposent donc des gammes étendues, tant du point de vue de la puissance acceptée que du nombre de moteurs - et de paramètres - pris en charge, pour pouvoir répondre à toutes sortes de demandes.

Quelle que soit l’échelle de l’installation, le pompage présente toutefois des contraintes communes. « La continuité de service est un point essentiel en matière de pompage, d’où le recours à des systèmes redondants, que ce soit en termes de pompes elles-mêmes ou d’automatismes », explique ainsi Alain Cruzalebes, directeur technique d’Aqualabo Contrôle. D’où l’accent mis sur la surveillance, en particulier dans les réseaux d’eaux usées, charriant nombre de déchets susceptibles de colmater une pompe ou une conduite. Autre dispositif fréquemment rencontré pour assurer la continuité de service : les armoires électriques dotées d’une fonction “watch dog”. Si l’automatisme tombe en panne, un asservissement électromécanique de base se met en route, assurant le fonctionnement minimal attendu.

La consommation électrique reste également un point essentiel en matière de pompage. Les automates doivent donc optimiser le fonctionnement de la station, parfois même en prenant en compte les variations horaires du tarif de l’électricité. Enfin, la dispersion des installations sur le territoire implique des dispositions particulières, ne serait-ce que pour la possibilité de communication intersites.

C’est là, d’ailleurs, une tendance générale : les automates de stations de pompage deviennent de plus en plus communicants, que ce soit pour gérer un réseau, surveiller le fonctionnement d’un poste ou s’aligner sur les tarifs d’EDF. Plus encore que les possibilités de calcul, ce sont les modes de communication qui ont évolué ces dernières années. « Les opérateurs télécom annoncent la fin du bas débit, du type RTC. Les exploitants de stations de pompage vont devoir rénover leur mode de circulation des données. C’est pour eux l’occasion de passer sur une nouvelle génération d’automates » estime à cet égard Fabrice Renault, responsable pour la France du segment “eau et environnement” chez Schneider Electric. Mais comment tout cela se décline-t-il dans les différents types de stations de pompage ?

Des postes isolés mais communicants

Des dizaines de milliers d’unités (en France) dispersées sur les réseaux, d’une puissance unitaire de quelques kW et comportant chacune une ou quelques pompes au plus. Ainsi se présentent les postes de relevage d’eaux usées ou pluviales. Pour les équiper, les fabricants d’automates comme ABB, Apilog, Rockwell Automation, Pilz, Festo, PL Systems Unitronics, Siemens, Crouzet, Grundfos, Xylem ou Mitsubishi Electric proposent différentes configurations. Les postes de relevage n’étant pas forcément reliés au réseau électrique, ces solutions peuvent fonctionner sur batteries, parfois alimentées par des panneaux solaires ou de petites éoliennes.

Les “micro-automates” sont essentiellement des versions réduites des classiques automates industriels programmables (API). Parfaitement suffisants pour gérer ce type d’installations, ils doivent toutefois embarquer des moyens de communication. C’est ce que propose par exemple Rockwell Automation, avec sa gamme des Micrologix, dont le Micro 800. « Il inclut des capacités de traitement et communication réseau, y compris GSM (avec une carte installable en option) ou Ethernet. Même un petit automate comme celui-là peut recevoir des informations d’un central et renvoyer des alarmes, des états de situation et des données », souligne Fabrice Poulet, responsable de l’activité “départ et contrôle moteur” chez Rockwell Automation.

L’em4 de Crouzet est également adapté à ce genre de stations de pompage. Il peut dialoguer avec ses pairs par modbus et envoyer des alarmes ou données par email ou SMS à un superviseur. Crouzet en propose aussi une version Ethernet. « Dès le printemps, nos automates seront équipés d’une fonction de mesure de la tension d’alimentation jusqu’à 30 volts. Ils surveilleront eux-mêmes la batterie et enverront une alarme par SMS en cas de faiblesse », ajoute Jackie Launay, architecte système chez Crouzet. Une particularité : des opérateurs extérieurs, par exemple une équipe d’intervention, peuvent disposer sur un smartphone ou un PC d’une application représentant exactement la façade des automates. « Ils peuvent ainsi intervenir ponctuellement dessus, par exemple forcer une pompe le temps d’un dépannage, puis l’automatisme reprend ses droits. En revanche, ils ne peuvent pas modifier la programmation, qui reste l’apanage de l’exploitant. L’application est disponible sous Android et pour le monde PC, et une version iOS arrivera en fin d’année » annonce Jackie Launay.

Xylem, spécialiste du pompage, propose également une gamme de petits automates. Le MyConnect peut gérer deux postes de huit pompes chacun. « Il peut se connecter en 3G ou ADSL pour le pilotage à distance de la station », souligne Mouthou Soudarissanane, responsable “monitoring & control” chez Xylem. Moins puissant, le FGC 400 propose les mêmes possibilités mais pour deux pompes seulement. Le Multismart pourra quant à lui gérer plusieurs postes simultanément.

D’autres fabricants préfèrent proposer des postes locaux de télégestion (RTU) munis de capacités de calcul suffisantes pour gérer ce type d’installation de pompage. La différence entre un micro-automate communicant et un poste de télégestion doté de possibilités d’automatisation devient dès lors assez floue… En 2017, Schneider Electric a lancé le ScadaPack 570/575, un RTU communicant en 3G et se programmant avec le même langage que les API de la marque. « En quelques mois, nous en avons implanté 150 sur des coffrets de pompage », souligne Fabrice Renault. Schneider Electric vient par exemple d’instrumenter un réseau complet de distribution d’eau potable en Algérie, avec près de 70 ScadaPack 570/575, des variateurs de fréquence pour les pompes et les logiciels adaptés. Dans le même esprit, Siemens propose depuis deux ans le RTU 3030C. « Aujourd’hui, il est possible d’utiliser un logiciel qui saura gérer jusqu’à 5000 stations équipées de ce petit appareil » avance Christophe Barbier, chef de produit “instrumentation” chez Siemens. Autre particularité, le RTU 3030C est alimenté par blocs recevant des piles du commerce.

Une architecture originale

Pour les réseaux dissipatifs, Xylem adopte une approche radicalement différente. « Nous mettons l’intelligence dans les pompes elles-mêmes et les relions directement à la supervision, voire au Cloud, en nous passant d’automates » affirme Mouthou Soudarissanane. Le Concertor®, qui se définit comme le “système de pompage à intelligence intégrée”, permet de faire face à toutes les demandes d’un réseau avec un petit nombre de références de pompes (en termes de puissance moteur ou diamètre de refoulement). De plus, en particulier dans sa version avancée XPC, il peut à lui seul gérer un poste de pompage et envoyer les données à la supervision centrale. « Ce système permet à la fois une gestion efficace du parc de pompes, une opération sans aléas puisque chaque pompe se nettoie automatiquement en cas de problème, et des économies d’énergie car les pompes fonctionnent toujours au point optimal. Le tout pour un investissement global réduit puisque l’armoire électrique sera simplifiée » assure Mouthou Soudarissanane. Ce tout nouveau concept équipe par exemple une station de relevage de l’aéroport d’Heathrow, près de Londres, ainsi que celle de l’université Sultan Qaboos, à Oman. Après avoir participé à ses essais, et constaté son efficacité, la municipalité suédoise de Lomma en a également équipé sa station de pompage des eaux usées.

D’autres constructeurs, comme Danfoss, Leroy-Somer ou Weg proposent également des variateurs de fréquence intelligents, dans différentes gammes de puissance.

Des outils logiciels standardisés

Pour ce type de stations de pompage sans grande complexité, ne mettant en jeu que quelques moteurs, les fabricants proposent, en général gratuitement, des briques logicielles préconfigurées et adaptées aux exigences des métiers de l’eau. « L’exploitant n’a qu’à entrer quelques paramètres. Tout cela “tourne” depuis longtemps sur de nombreux sites, c’est très sécurisé et fiabilisé » explique Alain Cruzalebes, chez Aqualabo.

Lacroix Sofrel met également à la disposition de ses clients une bibliothèque de logiciels spécifiques. « Travaillant exclusivement pour le monde de l’eau, nous avons créé des modules ad hoc. Par exemple, pour un poste de relevage, nous incluons une fonction “anti anneau de graisse”. La pompe est commandée de manière à ce que l’eau ne s’arrête pas toujours au même niveau pour éviter dépôt d’une ceinture de graisse » précise Benoît Quinquenel, chez Lacroix Sofrel. Crouzet propose également des “blocs métier” gratuits, capables de gérer, par exemple, “la rotation de pompes, le calcul de débit” des pompes. « Cela vaut pour la plupart des situations. Un grand acteur français de la gestion de l’eau nous a cependant demandé des fonctions un peu différentes. Nous pouvons en effet développer des logiciels particuliers, exclusifs, bien entendu à titre payant », explique Jackie Launay. Fabrice Renault, chez Schneider Electric, confirme cette tendance à la standardisation des solutions logicielles pour les petites stations de pompage « après le fonctionnement, c’est maintenant la télégestion et la transmission des données qui tendent depuis un an à être standardisés », précise-t-il.

Eau potable : vers des installations de taille industrielle

Les stations de surpression en sortie d’usine d’eau potable, qui envoient l’eau vers les réseaux ou les réservoirs, ainsi que les installations de pompage de l’eau brute, relèvent d’une autre logique. D’une puissance bien supérieure – elles se comptent en centaines de kilowatts – et comprenant un nombre important de moteurs, elles exigent des solutions d’automatisme de type industriel. Les API entrent alors en scène. Et ils sont de plus en plus souvent doublés : « les usines disposent de deux automates couplés qui se “surveillent” l’un l’autre, et peuvent prendre le relais en cas de problème. Cela demande un haut niveau de technicité pour la programmation. Les armoires deviennent complexes » souligne Alain Cruzalebes. Dans un tel contexte, il n’est plus question de logiciels standard : il faut les réaliser “sur mesure” pour chaque installation.

« Dans quasiment toutes les armoires des grands sites, il y a à la fois un automate industriel et un poste de télégestion. Au-delà de 20 à 30 moteurs, mieux vaut en effet confier l’automatisme lui-même à un API et réserver le RTU pour la communication des données », confirme Benoît Quinquenel. Lacroix Sofrel, spécialiste de la télégestion, propose toujours son S500 mais a introduit en 2017 un nouveau poste local de télégestion tout IP, le S4W. Disposant de 16 DI, 4 AI et 4 DO dans sa configuration de base, S4W peut également accueillir jusqu’à 10 modules d’extensions d’Entrées/Sorties. Flexible grâce à son atelier d’automatisme intégré, il s’adapte ainsi à tous les types d’installations et nombres d’informations à contrôler.

Depuis 2003, Aqualabo met en avant son automate modulable P400Xi. « Il évolue en permanence : nous en sommes à la troisième génération d’unité centrale, les alimentations ont changé et les possibilités de communication aussi », précise toutefois Alain Cruzalebes. Lancé en 2015, le Modicon 580 de Schneider Electric peut lui aussi gérer des installations de grande taille. Il équipe par exemple la station d’épuration des eaux usées de Valenton gérée par le SIAAP.

JS Automation, spécialisée dans les projets de contrôle-commande et de supervision, propose une solution reposant sur les appareils SENECA S6001 qui réunissent le monde de l’automatisation et celui du contrôle à distance. Cette solution “tout-en-un” intègre les E/S, l’automatisme et le système de communication dans un seul appareil. Elle permet un contrôle à distance des installations 7j/7 et 24h/24, une gestion en temps réel par SMS/email et un historique des alarmes, une surveillance de l'énergie, une optimisation du service de maintenance… etc. Elle est capable de gérer de 2 à 6 pompes (au-delà extension des E/S) avec une régulation du débit, du niveau et de la pression. Elle est capable de recevoir par SMS (on/off auto/manu) des données des stations de pompage et de calculer le débit estimé en fonction de la courbe caractéristique des utilisateurs motorisés. La gestion, comme la configuration peut se faire à travers le module IHM 7 prévu à cet effet. Elle peut aussi être raccordée à la plateforme WEB I/O ce qui permettra aux utilisateurs de recevoir dans leur espace dédié, les visualisations des alarmes, la gestion des appels SMS, les courbes de performances, un calendrier d’intervention…etc. 

Crouzet propose aussi le Millénium 3. Les automates de Crouzet présentent la particularité de comporter un petit écran permettant le paramétrage. L’entreprise annonce, également pour le printemps 2018, l’inclusion d’une fonction de géolocalisation dans ses automates. « Le système communiquera sa position géographique à la supervision sans que l’opérateur n’ait quoi que ce soit à faire au moment installation », souligne Jackie Launay. Crouzet prévoit d’introduire d’ici fin 2018 une autre nouveauté dans son em4 : une capacité d’échange sans fil, reposant sur BlueTooth, en plus des échanges déjà possibles entre automates. « Outre l’économie en termes de câble en cuivre et d’installation, il n’est pas toujours évident de câbler un site ancien, non prévu pour cela, lors d’une réhabilitation », explique Jackie Launay.

Siemens a développé le S7 1200 et le S7 1500, deux automates pourvus d’un nombre modulable d’entrées/sorties. Le deuxième peut même gérer des entrées/sorties déportées. Sur le même créneau, Rockwell Automation dispose de sa gamme d’API Compact Logix.

Les très grosses installations

Qu’il s’agisse d’alimenter une mégalopole en eau potable ou d’irriguer une région aride, les puissances se comptent souvent en mégawatts et les stations utilisent la moyenne tension. On entre là, en termes d’automatismes, dans une autre dimension. Siemens propose alors son S7 400H, haute disponibilité « C’est une solution puissante pour environnements sévères », précise Christophe Barbier. Rockwell Automation, spécialiste des très grosses installations, s’appuie sur sa gamme Logix. « Ces automates peuvent gérer des milliers d’entrées/sorties. Il n’y a pas de limite pratique pour la taille des installations », souligne Fabrice Poulet.

Schneider Electric intervient en particulier sur des stations de très grande taille pour l’irrigation, notamment dans des pays arides. « Les appareils de type M580 ou RTU ne suffisent pas : on passe à des automatismes liés au circuit de distribution électrique, que Schneider Electric fabrique également. Ces appareils remontent ensuite l’information vers des M580 : le pilotage exige une chaîne d’intelligences », explique Fabrice Renault. 

L’offre de Tec-Automatismes vient en complément des grands acteurs du marché. « Nous développons en effet des solutions d’automatismes sur cahier des charges clients, explique Damien Richard, directeur commercial. Ces derniers n’ont plus à s’adapter aux solutions “sur étagères” ; ce sont nos bureaux d’études qui s’adaptent à leurs demandes ». Présent historiquement dans l’automatisation des stations de pompage depuis de nombreuses années, Tec-Automatismes continue à intégrer les mutations technologiques afin de proposer les solutions les plus immédiatement opérables et faciliter in fine l’exploitation des stations. « Nous développons notamment des solutions mixtes intégrant des automatismes industriels communiquant classiquement avec d’autres automates ou des supervisions ainsi que l’envoi de données vers l’exploitant via une communication GSM, mais nous y intégrons également des capteurs connectés, précise Damien Richard. Il est ainsi possible d’installer des capteurs dans des zones éloignées et sans alimentation électrique en éliminant toute contrainte de câblage ». Un niveau de bassin ou des compteurs de bâchées peuvent ainsi être insérés très rapidement et simplement aux architectures d’automatismes traditionnelles. « En complément des protocoles Sigfox et Lora, nos solutions RTU intègrent des protocoles sécurisés type 61850 très utilisés dans le secteur de l’énergie, un autre grand secteur utilisateur de nos savoir-faire ».

Utiliser le Cloud….

Quelle que soit la taille de l’installation, les spécialistes des automatismes soulignent une tendance forte : la remontée des données de fonctionnement et des évènements, via GSM, 3G ou Ethernet, vers une gestion centralisée. Il s’agit d’une part de superviser le fonctionnement des installations, d’autre part de mettre en place une politique de maintenance préventive, qui coûte toujours moins cher que l’envoi non prévu de personnel pour réparer un incident. C’est ce que souligne par exemple Jackie Launay chez Crouzet : « nos logiciels comprennent des blocs “event” capables d’envoyer un SMS ou un e-mail à un ou plusieurs opérateurs qui peuvent réagir à une surchauffe, un arrêt de pompe etc,. en reportant la charge sur une autre pompe ou envoyant du personnel sur place. Cela vaut même pour le plus petit poste de relevage, aujourd’hui ». Les automates de la marque, en particulier l’em4 doté d’une sortie 3G ou Ethernet, peuvent également remonter régulièrement des data log. Le RTU 3030C de Siemens propose les mêmes possibilités de remontée.

Même constat chez Rockwell Automation : « Les exploitants demandent aujourd’hui une visibilité à distance de l’état de la station de pompage, pour en optimiser l’exploitation. Ils veulent donc surveiller la consommation d’énergie, l’utilisation des matières premières, etc. Ils souhaitent aussi suivre l’usure des pompes et être avertis des non conformités éventuelles - comme une brusque modification de la consommation d’un moteur - afin de mettre en place une maintenance préventive. Les automates doivent donc également remonter des alarmes », confirme Fabrice Poulet. Il souligne la tendance nouvelle à utiliser le Cloud pour ce genre de remontée. « Nous développons des logiciels qui permettent à un groupe de taille internationale d’aller chercher une usine partout dans le monde et de “descendre” jusqu’à des données concernant une pompe précise (par exemple son taux de vibration). Aujourd’hui, l’automatisation va vers la maintenance préventive, mais aussi l’exploitation statistique des données d’exploitation pour offrir de nouveaux services aux clients », ajoute-t-il. Fabrice Renault, chez Schneider Electric, constate la même évolution, en particulier pour les très grosses installations : « On instrumente les sites au maximum pour produire des données. On arrive à la limite de l’intelligence artificielle… même si on n’y est pas encore ».

Du coup, les solutions d’exploitation de flux de données en masse et en temps réel se développent, à l’image de l’application eDATAMOTIC, une application SaaS 100 % “plug and play” développée par Aquassay, capable de collecter les données avant de les pousser en continu vers un cloud privé dédié à chaque client.

Mouthou Soudarissanane, chez Xylem, souligne lui aussi l’utilisation de plus en plus fréquente du Cloud pour la télégestion des stations de pompage.

... en toute sécurité

Utiliser le Cloud pour faire circuler ses données, même cryptées, ne va cependant pas sans risque. Dans le domaine sensible de l’eau potable, en particulier, une nouvelle préoccupation commence à pénétrer les esprits : la cybersécurité (voir notre dossier dans EIN n° 400). « Depuis le dernier semestre 2017, il y a une vraie discussion sur ces sujets. Nous dépêchons des équipes spécialisées dans la cybersécurité pour aider les installateurs », souligne ainsi Fabrice Renault chez Schneider Electric. Ce fabricant a en effet acquis une forte compétence en la matière après avoir automatisé un site nucléaire, et en fait aujourd’hui profiter ses clients du monde de l’eau (et de l’industrie en général). Le ScadaPack 570/575, se connecte ainsi à la supervision distante avec un langage et des protocoles sécurisés. « Cela n’existait pas dans le monde de la télémétrie en France. L’appareil n’est pas encore reconnu par l’Agence nationale de la sécurité des systèmes d’information (ANSSI), car il est produit pour nous au Canada, mais il reprend les guidelines américains de cybersécurité » précise Fabrice Renault. Quant au Modicon M 580, il dispose depuis fin 2017 d’une certification ANSSI.

« Toute station de pompage, comme n’importe quelle autre installation, peut être attaquée. Notre nouvelle plateforme de télégestion, la S4W, qui fonctionne par internet, est donc conçue pour sa robustesse en termes de cybersécurité », explique de son côté Benoît Quinquenel chez Lacroix Sofrel. Dans un contexte où la cybersécurité devient une préoccupation fondamentale, le S4W intègre un très haut niveau de protection et de sécurité : authentification des utilisateurs et systèmes connectés, chiffrement des communications, certificats électroniques, traçabilité des accès… S4W est proposé avec tout un écosystème visant à sécuriser et faciliter l’exploitation des réseaux de télégestion. S4-View, un logiciel sous Windows permet de consulter les données gérées par S4W et le diagnostic de ses équipements à distance. Le serveur VPN SG4000 gère et sécurise les communications utilisant l’Internet public. S4-Manager est un outil d’administration centralisée des utilisateurs et configurations du réseau de télégestion. S4-Keys, logiciel de création de certificats pour la sécurité du réseau complète le dispositif.

« La cybersécurité est un point essentiel pour l’usine du futur. Toutes les communications doivent être protégées. Nous avons une offre renforcée dans ce domaine. Nos solutions de sécurité sont intégrées à l’état natif dans nos matériels et logiciels : ce n’est pas une option mais une caractéristique de base » insiste Fabrice Poulet chez Rockwell Automation.

Même chose chez Siemens : « La cybersécurité est la préoccupation majeure de Siemens qui propose déjà depuis 2016 la gamme S7 1500 qualifiée ANSSI », indique Christophe Barbier. Phoenix Contact propose de son côté un automate ILC 151 GSM qui intègre nativement la capacité de communiquer en 3G ou par Ethernet. Il sait gérer les SMS et emails d’alertes ou de statuts. Son serveur embarqué est capable de piloter jusqu’à 4.096 entrées sorties, localement ou sur des modules déportés. « La cybersécurité, au cœur de nos préoccupations, se voit conviée à nos firewalls industriels qui sont capables de protéger n’importe quels automatismes », explique-t-on chez Phoenix Contact. En incluant un modem 4G et une gestion de contacts secs localement, il permet de pouvoir monter un tunnel VPN sortant du site vers un portail Cloud gratuit sans intervention humaine grâce à un SMS chiffré. « De ce fait, aucune connexion n’est en attente, donc aucune faille de sécurité. Si le client le souhaite, notre solution Proficloud lui permet d’interconnecter de manière chiffrée automatiquement tous les sites dans le monde ».

La nouvelle plateforme PLCnext Technology de Phoenix Contact regroupe un accès direct au cloud via Proficloud pour une interconnexion sécurisée de tous vos sites, une plateforme de développement indépendante des langages utilisés (IEC 61131, C, C++, mathlab, etc..), une cybersécurité intégrée avec firewalls et VPN et une retro-compatibilité avec tous les systèmes I/O de Phoenix Contact.

Plus réservé sur le cloud, Alain Cruzalebes, chez Aqualabo, observe lui aussi cette tendance naissante à utiliser le Cloud pour la télégestion des stations de pompage, mais estime le problème de la sécurité n’est pas encore tout à fait résolu à l’heure actuelle.