le pc et les bus de terrain font bon ménage dans l

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R eportage AUTOMATISMES
LE PC ET LES BUS
DE TERRAIN FONT
BON MÉNAGE DANS
L’AGROALIMENTAIRE
■ Pour reconstruire son usine victime d’un incendie,
Alsace Lait a laissé à APV le soin de définir l’architecture
Vu à
d’automatismes la mieux adaptée. Avec le prix et les
Alsace
délais pour seules contraintes, la filiale du groupe
Lait
Invensys n’a pas hésité à confier toutes les fonctions
d’automatisme à des PC. Les bus de terrain Profibus et AS-i assurent
les connexions à l’instrumentation (capteurs de process et vannes)
tandis qu’Ethernet TCP/IP sert à “remonter” les informations vers
deux serveurs. Les postes de supervision, de traçabilité et de maintenance sont également raccordés sur TCP/IP.
Reportage
Q
uand un carrefour est dangereux, il
faut souvent attendre qu’il y ait un
accident pour ajouter un stop, des
feux tricolores ou un rond point.
Pour les sites industriels, c’est un
peu la même chose. Les accidents d’une usine
chimique à Seveso, de la centrale nucléaire de
Three Miles Island ou plus récemment d’un silo à
Blaye constituent des exemples éclatants d’accidents qui ont fait avancer les choses. A chaque
fois, il y a eu des retombées pour l’instrumentation de process. Nul doute qu’après l’explosion de l’usine chimique AZF de Toulouse,
beaucoup espèrent…
L’incendie d’une partie de l’usine d’Alsace Lait à
Hoerdt (près de Strasbourg) le 1er avril 2000 a
fait moins de bruit. Pas de victimes mais beaucoup de dégâts. Ce genre de situation est évidemment propice à la réflexion, et la décision
de reconstruire ne se prend pas dans l’instant.
L’industriel réfléchit s’il n’y a pas mieux à faire, s’il ne serait pas par exemple plus efficace de
réorganiser la répartition du travail entre ses
différentes usines et d’en profiter pour se payer
à peu de frais un nouvel atelier pour lancer un
nouveau process de fabrication. Pour Alsace Lait,
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le contexte était plus simple. La société n’avait
pas d’autre usine que celle de Hoerdt, elle
n’avait pas de “vieux” process (l’usine avait été
construite en 1987) et il n’était pas question
pour elle de sortir de sa spécialité de produits
laitiers frais (lait de consommation, lait UHT,
crème, yaourts à boire). Dès lors, la décision
est vite prise : il faut reconstruire, et le plus vite
possible. Comme les causes de l’incendie sont
rapidement identifiées (un problème de courtcircuit au niveau des câbles électriques) et que
les assurances ne se font pas tirer l’oreille pour
indemniser le préjudice subi, les choses ne traînent pas. Un cahier des charges est élaboré,
avec deux contraintes majeures : des délais très
courts et des prix très serrés. Et des pénalités
importantes en cas de non-respect des délais.
Sur le plan du process, par contre, rien de bien
contraignant, celui-ci peut être mis en œuvre
avec des équipements tout à fait standards. Alsace Lait profite cependant de l’opportunité pour
se doter d’un outil de production permettant de
faire évoluer sa gamme de produits frais (fromages blancs tri-couches, boissons laitières en
petits contenants, laits fermentés répondant à
l’axe santé, etc.).
Lorsque Alsace Lait lance son appel d’offres pour
reconstruire son atelier sinistré, APV est évidemment intéressée. La société, qui appartient au
groupe britannique Invensys (Foxboro, Eurotherm, Triconex, Wonderware, etc.), est, en effet, spécialisée
dans l’ingénierie des process agroalimentaires,
aussi bien les équipements que les systèmes de
contrôle-commande. Elle est d’autant plus intéressée par le projet d’Alsace Lait qu’elle
n’équipait pas jusque-là l’industriel alsacien. Le principal défi à relever est celui
du temps. La première tranche du système automatisé doit redémarrer le 15 septembre 2000, à peine 5 mois après
l’incendie. Quand on sait qu’il faut compter habituellement 18 mois pour réaliser
ce genre d’application, on mesure
l’ampleur de la tâche. Et ce d’autant
qu’une mini-laiterie devait être mise en
place (début juillet) pour parer au plus
pressé. Pour gagner sa course contre le
temps, APV a les coudées relativement
franches. Il faut dire qu’Alsace Lait, comme
beaucoup de petites entreprises de
l’industrie agroalimentaire, n’a pas de service “automatismes” à proprement parler. Elle fait de ce fait confiance à ses fournisseurs pour préconiser les meilleures
Un contrôle-commande basé sur
des PC industriels, des capteurs et
actionneurs raccordés sur des bus
de terrain : Alsace Lait n’a pas hésité
à faire confiance aux technologies
innovantes pour reconstruire une
partie de ses ateliers…
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Les PC Integrator de
contrôle-commande
de l’installation sont
localisés dans des
armoires. Compte
tenu que la majorité des
capteurs et
actionneurs est
réalisée à l’aide de
bus de terrain, les
armoires sont très
peu “chargées”. Sur
la porte de l’armoire
(à gauche), on peut
voir les enregistreurs
encastrés…
La présence d’enregistreurs papier sur un
site faisant largement appel aux ressources
de l’informatique industrielle peut sembler
anachronique. Mais la profession du lait
a ses us et coutumes : les températures
de pasteurisation sont “relevées” par des
capteurs spécialisés et consignés par
les enregistreurs. Les raccordements
des capteurs en question sont fait par des
liaisons analogiques fil à fil classiques.
solutions techniques. « Nous sommes avant tout
des exploitants. Le cahier des charges que nous
avions élaboré abordait, essentiellement, l’aspect
fonctionnel de l’installation. Avec un point crucial :
la traçabilité. Dans notre métier, il est important
d’avoir une visibilité complète et détaillée sur toutes
les opérations effectuées pour fabriquer nos produits, y compris les opérations de nettoyage. Surtout s’il s’agit de produits “Label Rouge »,
explique Michel Bock, responsable qualité à Alsace Lait. La marque Label Rouge stipule que les
produits achetés par le consommateur ont été
fabriqués avec un lait sélectionné et garantit qu’il
n’y a pas pu avoir de mélange.
R eportage les applications agro-alimentaires, pharmaceutiques et cosmétiques (les principaux marchés
d’APV). « Pour automatiser ce type de process, on
a besoin de davantage de mémoire que pour un
automatisme de machine. Il faut en moyenne
4 fois plus de mémoire par entrée/sortie. Dans ces
conditions, un calculateur est mieux adapté qu’un
automate programmable classique », explique
M. Dommange. Cette raison, et quelques autres,
explique que le PC est devenu stratégique pour
APV, et que ce choix s’inscrit dans la durée (voir
encadré “Un choix stratégique”).
Pour ce qui est des langages, la continuité est
encore plus forte. L’application développée sur
PDP 8 en 1968 était programmée en Paracode,
un langage littéral très orienté automatismes de
process et donc aisément accessible aux gens
du métier. Paracode a traversé toutes les générations de calculateurs. Au fil des ans, il s’est
enrichi et il comporte aujourd’hui environ
250 instructions de base, 10 fois plus que pour
la première version. Mais si Paracode est toujours-là, il lui faut compter avec l’arrivée des
“Soft Logic”, ces ateliers logiciels qui permettent
de faire tourner sur des PC des programmes
d’automatismes écrits avec les langages standards de la norme IEC 1131-3 (donc les mêmes
langages que ceux proposés par les constructeurs d’automates programmables). APV, qui a
toujours cherché à adopter les standards du marché, ne pouvait ignorer cette évolution. « Nous
véhiculer les informations de process. Au-dessus, il faut un contrôleur, sur lequel tourne le
programme applicatif. Alsace Lait n’imposant rien
à ce niveau, APV fait appel à son contrôleur maison Integrator. « Ce contrôleur que nous avons
annoncé en 1999 utilise les standards du PC. Il
capitalise la longue expérience que nous avons
acquise dans les automatismes sur calculateur »,
explique William Dommange, responsable du
service Automation d’APV. Les premières applications remontent à 1968. Le calculateur utilisé à l’époque était un PDP 8 de Digital Equipment
(aujourd’hui Compaq) sous OS8. Depuis, les standards de l’informatique industrielle ont, pas
mal, évolué mais APV est restée fidèle à son
approche. Aujourd’hui, place au PC, jugé plus
adapté que les automates programmables pour
avons retenu le “Soft Logic” InControl de Wonderware et y avons intégré notre Paracode. Nous pouvons ainsi utiliser la même plate-forme PC pour
les applications “machine” (programmation en
Architecture d’automatisme
MES serveurs
In Track In SQL
serveur serveur
3 Postes In Touch :
• Synoptiques • Conduite
• Alarmes • Courbes
1 poste
de development
MES Client
Profibus et AS-i pilotés par des PC
S’agissant d’une installation neuve, sans grande contrainte (pas d’atmosphère explosive), APV
envisage immédiatement la solution “bus de
terrain”. Ne serait-ce que pour l’économie réalisée au niveau du câblage, comparativement à
une solution avec des liaisons fil à fil classiques.
De fait, APV n’hésite pas : l’installation comporte 260 capteurs de process raccordés sur des
bus de terrain Profibus PA et 1 600 vannes TOR
(tout-ou-rien) connectées sur des bus AS-i. La
quasi-totalité des capteurs de process (niveau,
débit, pression, conductivité) sont fournis par
Endress+Hauser, les vannes TOR par APV.
Profibus PA tout comme AS-i se contentent de
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Ethernet TCP/IP
PC
Industriel
PC
Profibus-DP
NEP
Profibus-DP
Réception Stockage
PC
Profibus-DP
Pasteurisation
PC
Profibus-DP
Crème
PC
Profibus-DP
UHT
Dans cette architecture, toutes les informations issues des PC qui pilotent le process sont
remontées via Ethernet TCP/IP vers des serveurs. Les autres applications (supervision, MES,
maintenance…) vont chercher sur ces serveurs les informations dont elles ont besoin.
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R eportage Le PC, un choix stratégique
1968, donc avant que n’apparaissent les premiers
automates programmables (“inventés” par Modicon en 1970). Elle ne s’est pas déjugée depuis. Elle
a changé de standard en cours de route, tout en
faisant preuve d’une grande prudence. Le PDP8 a
“tenu” près de 10 ans. En 1977, APV développe un
calculateur basé sur un processeur Z80 de Zilog
dont la carrière se prolongera une douzaine
d’années. En 1989, elle adopte le standard VME
avec une architecture multiprocesseurs à base de
microprocesseurs Motorola, qu’elle proposera pendant 10 ans. On peut imaginer que le PC Integrator
annoncé en 1999 est, lui aussi, là pour longtemps.
Mais le choix d’un calculateur obéit aussi à des raisons techniques. La simulation de partie opérative
justifie également le recours à un PC. Comme leur
nom l’indique, les simulateurs de partie opérative
servent à simuler sur un PC le comportement de
l’équipement à automatiser. Un de leurs objectifs
est de valider le programme applicatif (qui tourne
sur un automate ou un PC) avant son installation
sur le site, et de réduire ainsi les délais (et les coûts)
de mise en route. APV a systématiquement recours
à la simulation de partie opérative. « En utilisant
un PC aussi bien pour la simulation de partie
opérative que pour l’exécution du programme
applicatif, il n’y a pas de paramétrage à effectuer pour mettre la simulation en route, d’où
un gain de temps important », argumente
William Dommange, responsable du service Automatismes d’APV. Enfin, le PC facilite l’intégration
d’équipements et de logiciels hétérogènes. Il s’agit
en effet d’un standard “ouvert”, pour lequel il existe de nombreuses cartes et produits compatibles.
Cette hétérogénéité est l’essence même du PC et
IEC-1131-3) et les applications “process” (Paracode) », explique M. Dommange. Le choix
d’InControl/Wonderware coulait un peu de source.
Wonderware a rejoint Invensys en 1998, deux ans
Michel Bock,
Alsace Lait :
« Nous avons
de grandes
exigences
en termes
de traçabilité.
Le système
de contrôle
commande
remonte toutes
les informations
utiles concernant
la production,
y compris
les opérations
de nettoyage ».
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il est “naturel” pour un intégrateur de mixer
dans les applications des équipements de
toutes origines. C’est ainsi qu’APV raccorde
indifféremment des entrées/sorties déportées
(sur Profibus DP) de Wago, Moeller, Rockwell
Automation, Schneider ou Siemens. On n’imagine pas une application automate aussi hétérogène (même si, avec les bus de terrain, rien ne
s’y oppose en théorie).
Les PC utilisés fonctionnent sous Windows NT4,
un système d’exploitation sensiblement plus
fiable que ceux utilisés dans les applications de
bureautique classiques. Un arrêt intempestif
est cependant toujours possible (cela arrive
même aux automates). La remise en route, du
fait qu’il faille “rebooter” Windows NT4, prend
nettement plus de temps que pour un automate programmable classique. Mais dans l’application d’Alsace Lait, cela n’a pas grande importance. De toute façon, au-delà d’un certain
temps, les équipements de process doivent
être repris en marche dégradée.
APV a installé environ 50 Integrators, certains
fonctionnant 24 h/24, 7 jours sur 7, en particulier dans des applications d’usine de séchage
de lait pour des tailles allant jusqu’à
2 500 entrées/sortie.
Mentionnons enfin qu’APV ne fait pas exclusivement appel aux PC pour réaliser ses applications d’automatismes. Les automates programmables interviennent encore dans 20 % des
applications…
APV Systems
6, rue Jacquard - BP 684
27006 Evreux Cedex
Tél.: 02 32 23 73 00 - Fax. 02 32 23 74 99
La généralisation des bus de terrain a
énormément simplifié le câblage des
différents capteurs (essentiellement
de Endress+Hauser) et actionneurs (vannes
de APV) présents sur le site.
nées) de Wonderware. Ces différents choix sont
au cœur de l’application réalisée à Alsace Lait.
Ethernet TCP/IP pour remonter les
informations
L’architecture est classique. Les principaux
sous-ensembles de l’atelier (pasteurisation,
crème, UHT, réception/stockage ) sont
pilotés par 4 contrôleurs Integrator d’APV,
qui sont en fait des PC “shoebox” (boîte à
chaussures). Ceux-ci sont localisés dans des
armoires. La connexion des capteurs et
actionneurs, on l’a dit, se fait par des bus de
terrain Profibus et AS-i.
Il existe aussi une application de nettoyage
en place (NEP), si importante dans les
industries agro-alimentaires. Celle-ci est également pilotée par un PC mais il s’agit ici
d’un PC industriel standard sur lequel sont
raccordées (via Profibus DP) des
entrées/sorties déportées Flex I/O de Rockwell Automation et (via AS-i) des vannes TOR.
Toutes les informations des PC Integrator et
du PC industriel sont acheminées via un
réseau Ethernet TCP/IP vers deux serveurs de
données. L’ensemble des 6 000 entrées/sorties que comporte l’application est rafraîchi
en 60 ms. Les postes de conduite, de MES
(contrôle qualité, traçabilité) et de maintenance,
également
raccordés
sur
Ethernet TCP/IP, vont chercher sur les serveurs les informations dont ils ont besoin.
après APV. La synergie entre les deux entreprises
ne s’arrête d’ailleurs pas-là puisque APV intègre
également dans ses applications InTouch (supervision), InTrack (MES) et InSQL (base de don-
Wiliam
Dommange,
APV :
«S’agissant d’une
installation nouvelle
et n’ayant pas
d’historique à gérer,
nous avons eu les
coudées franches pour
définir l’architecture
du système. Nous
avons privilégié des
contrôleurs de type PC
et des capteurs sur
réseau de terrain
Profibus PA ».
Photo montage
■ APV a commencé à utiliser des calculateurs dès
Le PC
Integrator,
qui pilote
les bus
de terrain
Profibus et
AS-i sont
très compacts
(ils mesurent
136x282x79 mm)
MESURES 740 - DÉCEMBRE 2001
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Le nouvel atelier
en quelques chiffres
■ Investissement
nouvel atelier + mini-laiterie : 90 MF
■ Fabrications
• Fromage blanc : 20 000 t
• Crème : 8 500 t, dont 5 000 t Label Rouge
• Yaourt à boire : 2 000 t
• Lait de consommation : 12 millions de litre
• Lait UHT : 40 millions de litres
• Lait fermenté : 1 million de litres
• Préparations pour industrie
(ingrédients tarte) : 1 000 t
Sur le réseau Ethernet se trouve également
un PC dédié aux applications de maintenance.
La réalisation et l’installation de l’application
n’ont pas posé de problème particulier. Y compris au niveau de l’intégration des différents
capteurs de process et des vannes raccordées
sur les bus de terrain. L’affectation des adresses
AS-i des vannes a été réalisée sur place à l’aide
d’une pocket (d’APV, le fournisseur des vannes).
L’affectation des adresses Profibus PA des capteurs a été faite à l’aide des boutons présents
sur chaque capteur. Depuis le poste central, il est
possible de paramétrer à distance les capteurs de
process (avec un logiciel fourni par Endress+Hauser, le fournisseur des capteurs). Pour le reste,
APV ne s’est pas compliqué la vie. Les informations de diagnostic embarquées à bord des
capteurs, considérées comme une avancée des
bus de terrain (même si, avec Hart, celles-ci
sont aussi accessibles via une liaison standard
4-20 mA) ne sont pas utilisées ici, car jugées
redondantes avec l’application de GMAO (Gestion de Maintenance Assistée par Ordinateur)
qui a été mise en place.
Plusieurs logiciels d’exploitation
Sur le plan de l’exploitation, la supervision
est assurée par trois PC équipés du logiciel
InTouch de Wonderware. L’application InTouch est résidente sur ces postes, les données
actualisées se trouvent sur les serveurs. En
cas de défaillance des serveurs, les superviseurs vont chercher les informations du process directement dans les contrôleurs de process (les PC Integrator). La supervision
proprement dite n’appelle pas de commentaire particulier. Les alarmes liées au process
apparaissent à l’écran directement sur l’image graphique de l’équipement concerné.
Celles-ci sont “progressives”, à plusieurs
MESURES 740 - DÉCEMBRE 2001
seuils, de façon à distinguer aisément une
alarme importante d’une alarme secondaire.
Les causes des alarmes sont visualisées sur
un poste séparé.
L’application de MES (Manufacturing Execution Systems), réalisée avec InTrack (également de Wonderware), est basée sur une
architecture client-serveur. Les informations liées à la production (bilans matière, informations sur la qualité, etc.) peuvent ainsi être distribuées à l’ensemble des
acteurs de l’entreprise.
La maintenance est gérée avec le logiciel
Maintenance On Line développé par APV.
Celui-ci est utilisé pour faire de la maintenance prédictive (il n’exploite pas les
informations de diagnostic intégrées sur
les capteurs et ne prétend donc pas faire
de la maintenance conditionnelle). Périodiquement (tous les lundis matin), les
techniciens du site interrogent la base de
données qui leur restitue une liste des opérations à effectuer. Tous les organes installés (capteurs, vannes, pompes, etc.) et les
équipements (réacteurs, stérilisateurs) sont
archivés dans la base de données et “suivis” par le logiciel. Pour la plupart d’entre
eux, l’expérience acquise au fil des décennies permet de définir la périodicité de la
maintenance. Cette périodicité est bien sûr
“pondérée” pour prendre en compte les
conditions d’utilisation et les temps de
fonctionnement.
Mentionnons enfin Nep Expert, le logiciel
de nettoyage en place, également développé par APV. Dans l’agro-alimentaire, le
nettoyage des équipements revêt une grande importance. Ce logiciel enregistre toutes
les opérations de nettoyage effectuées, et
les conditions dans lesquelles elles ont été
réalisées (par exemple, si un pontage entre
R eportage .SEQ REMP_TKI
/
/
/
REMPLISSAGE DU TANK 1 PAR REFROIDISSEUR A
/
/
Interdictions
INSQ
NEP_TK1
/NETTOYAGE TK1
INSQ
NEP_REF
/NETTOYAGE REFROIDISSEUR
INSQ
REMP_TK2 /REMPLISSAGE TK2
INSQ
SOUT_TK1 /SOUTIRAGE TK1
/
/
Surveillances
/
SUON
DDP1
/DETECTEUR DE PROXIMITE
/
/
Actions
/
COMD
V11
/VANNE DE ROUTAGE
COMC
V10
/VANNE DE REMPLISSAGE
ATTE
5
COMD
POMPE 1
/POMPE D’ENVOI 1
/
Pour programmer ses applications de process,
APV utilise le langage Paracode, créé il y a une
trentaine d’années et amélioré au fil des ans.
Ce langage est très orienté “métier”.
deux conduites doit être effectué, des capteurs signalent que le pontage a effectivement été fait). Il indique aussi à quel
moment le nettoyage doit être effectué et
quel type d’équipement doit être nettoyé.
Le nettoyage s’impose bien sûr lors du
changement de lot de fabrication. Mais il
est parfois nécessaire lorsqu’un lot est relativement important et que les équipements
fonctionnent sans arrêts, sur une période
relativement longue. Dans ces cas-là, des
indicateurs placés sur l’équipement alertent l’opérateur sur la nécessité de nettoyer.
Mais, in fine, c’est l’opérateur qui décide.
Ainsi, il ne va pas arrêter une application
qui se termine dans 10 minutes pour
démarrer une opération de nettoyage qui
peut prendre 1 heure.
A terme, toutes ces applications seront
vraisemblablement raccordées aux systèmes GPAO (gestion de production) et
ERP (gestion intégrée) de l’usine.
Jean-François Peyrucat
Les produits laitiers sont soumis à des
contraintes de fabrication drastiques.
Les exigences en traçabilité imposent
d’enregistrer en permanence toutes les
opérations effectuées (y compris le nettoyage).
Cette contrainte a une incidence sur
les solutions adoptées pour l’automatisation
du process.
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