Le système de commande sur base PC de Beckhoff intégré directement au sein d’une installation de traitement des eaux communale

Modernisation d’une installation d’approvisionnement en eau dans la région du lac Michigan, la solution d’automatisation sur base PC de Beckhoff fiabilise et sécurise le système.

Dans le secteur public de distribution d’eau, l’exploitant d’installations doit assurer un approvisionnement en eau fiable pour tous les consommateurs avec des budgets de plus en plus serrés. Leur cahier des charges exige l’intégration de sécurité par redondance et pour tous les composants, une communication sécurisée avec le système de gestion. La plateforme de gestion de commande sur base PC TwinCAT, s’est avérée idéale pour moderniser cette installation de traitement des eaux communale située sur les rives du lac Michigan. Elle s’intègre totalement dans les systèmes existants et permet de moderniser le système decommunication par le biais de protocoles comme OPC UA, MQTT et AMQP.

Eric Kiefer, responsable d’installations au sein de la North Shore Water Commission (NSWC) à Glendale (état du Wisconsin, États-Unis), sait combien la distribution d’eau potable constitue une prouesse, même si ce confort nous paraît aujourd’hui évident. Située dans le comté de Milwaukee, cette régie communale fournit de l’eau pure depuis 1963 à près de 35 000 habitants pour les villes de Glendale, Fox Point et Whitefish Bay. « Les gens sont exigeants et ne tolèrent même pas une chute de pression dans les conduites d’eau », déclare Eric Kiefer. « Nous approvisionnons des hôpitaux, des entreprises, des familles. Il faut que l’eau soit disponible pour tous au moment où ils en ont besoin. »

Pour la NSWC, le traitement de l’eau commence à Klode Park au bord de la Whitefish Bay où se situe la source d’eau du lac Michigan. La station de pompage aspire l’eau du lac dans une dépression en forme de fosse sur la rive. Une centrale de dosage qui distille des produits chimiques assure ainsi que la prise d’eau reste libre et ne soit pas être obturée par des moules zébrées. Quatre pompes de grand calibre envoient l’eau à travers le collecteur principal vers l’installation de filtrage de Glendale où un procédé de floculation est ajouté à l’eau afin que les particules grossières tombent dans des bassins de décantation.

Ensuite, un rapide filtre par le sable élimine les derniers sédiments restant dans l’eau. L’étape suivante consiste en la fluoruration de l’eau. Puis, l’eau est désinfectée avec du chlore et par UV. Dans la dernière étape, l’eau est traitée avec du phosphate pour empêcher la corrosion du plomb et du cuivre lors de son acheminement jusqu’au robinet des consommateurs. Lors d’une journée normale, l’installation purifie 14 millions de litres d’eau, mais elle est capable d’en traiter jusqu’à 68 millions. Ce chiffre peut paraître surdimensionné mais il permet aux techniciens d’assurer un approvisionnement en eau fiable, même dans le cas où une partie de l’équipement tombe en panne.




Moderniser une technologie obsolète avec un budget serré

L’installation en exploitation depuis 55 ans nécessite une modernisation régulière. La NSWC doit collecter en permanence des données pour établir des rapports détaillés. Ces données concernent la pression du système, la vitesse et la durée de fonctionnement des pompes, la position des soupapes dans les stations de pompage à Glendale, Fox Point et Whitefish Bay, les niveaux de remplissage des réservoirs à produits chimiques, les quantités de produits consommés ainsi que divers paramètres sur la qualité de l’eau.

Lors de la réfection d’une installation obsolète, il faut remplacer le matériel SCADA conventionnel utilisé pour le traitement des eaux afin que la communication entre les appareils provenant de différents fabricants soit maintenue. Cette étape s’avère cependant difficile dans les installations communales en raison de leur budget serré. C’est uniquement lorsque le respect des normes qualitatives imposées par l’État régional ou l’État fédéral pour l’eau potable est en péril que les communes sont prêtes à financer des projets de modernisation qui comprennent souvent dans leur budget total le renouvellement de l’automatisation.

C’est pourquoi, lorsque la commune de Fox Point a décidé en 2015 de moderniser sa station de pompage, Eric Kiefer a recherché un système d’automatisation et de commande alternatif. Parmi les critères définis, le système devait présenter un bon rapport coût/efficacité, être facile à programmer et offrir la possibilité de communiquer avec des technologies plus anciennes. Eric Kiefer explique que la NSWC ne peut se permettre aucune erreur en raison de la pression exercée par les consommateurs et les autorités et qu’elle doit tenir tête à la concurrence, en l’occurrence des entreprises privées.

Architecture système efficace pour un approvisionnement en eau stable, à un prix abordable

Un partenaire commercial a fait découvrir Beckhoff à Eric Kiefer qui opta rapidement pour cette technologie de commande basée sur PC pour l’ouverture du système. La station de pompage est équipée à présent de plusieurs bornes E/S EtherCAT qui communiquent avec des machines et des équipements sur place. Un panel de commande multitouch CP2907 qui fait office d’IHM est relié à un PC embarqué CX2020, sans ventilateur, si puissant qu’il est capable de piloter toute la station de pompage et de transmettre toutes les données à l’installation principale de Glendale.

Une fois l’armoire de commande pour la station de pompage achevée, Eric Kiefer a chargé la société Starnet Technologies (Calédonie, État du Wisconsin), un prestataire de services dans l’industrie de traitement de l’eau et des eaux usées, de réaliser les schémas électriques. Sur cette base, Starnet a construit plus tard une armoire de commande identique pour la station de pompage d’approvisionnement en eau de Glendale et modernisera bientôt aussi la station de Whitefish Bay.

La plate-forme de commande ouverte basée sur PC de Beckhoff est compatible avec l’ensemble des extensions (add-ons) installées sur un ordinateur. Eric Kiefer apprécie le logiciel d’automatisation TwinCAT 3 parce qu’il fonctionne en synergie avec d’autres plates-formes logicielles, et également parce qu’il contient des packages IoT et d’analyse pour des protocoles de communication Cloud innovants, tels que OPC UA, MQTT et AMQP.

« Dans un avenir plutôt proche, la communication connaîtra un changement de paradigme. Avec Beckhoff, nous avons établi une bonne base pour y réagir », estime-t-il. « Beckhoff propose déjà aujourd’hui des bibliothèques pour ces protocoles d’avenir. Avec notre standardisation sur TwinCAT 3, nous sommes parés pour l’avenir. » À l’aide de TwinCAT 3 et des PC embarqués CX2020, les stations de pompage envoient des données chiffrées via OPC UA aux installations de NSWC.

Les tableaux de bord numériques affichent les informations d’état essentielles. James Redford, président de Redford Data Services, a programmé le nouveau système SCADA avec la NSWC. Mis à jour, le système prévoit pour les stations de pompage de meilleures possibilités de réinitialisation en cas de dysfonctionnements. En outre, il pilote la vitesse des pompes, ouvre un accès via les services Bureau à distance Windows et comporte d’autres modes d’exploitation.

Bien que James Redford ne connaissait pas du tout les équipements Beckhoff, tant sur le plan matériel que logiciel, il a pu s’initier de manière rapide et intuitive. Il a été surpris de constater que la communication avec les produits d’autres fabricants soit si aisée, car ce point est souvent le plus critique, explique-t-il.

Modernisation rentable avec des solutions de commande basées sur PC

Outre pour la modernisation de deux des trois stations de pompage, Eric Kiefer a utilisé une plate-forme Beckhoff similaire avec des E/S EtherCAT et un PC embarqué CX2030 pour optimiser le dosage des produits chimiques dans l’installation de filtrage. Grâce à la mise à jour SCADA de toute l’installation, la centrale de dosage est désormais en mesure de générer des rapports, d’émettre des alarmes et de rechercher des erreurs de manière plus efficace.

La modernisation rentable de l’ensemble de l’installation et des stations de pompage externes à l’aide de la technologie Beckhoff a permis d’accroitre la fiabilité du système dans sa globalité et de réduire les coûts. De plus, grâce à la technologie de commande ouverte, les installations sont désormais prêtes à être adaptées à nouvelles méthodes de mise en réseau et d’optimisation via la communication basée Cloud.

www.beckhoff.fr

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