Le M2M : un concept prometteur pour optimiser le fonctionnement des réseaux

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Le terme machine to machine (M2M) décrit la capacité des équipements, instruments ou de machines distantes à se connecter et dialoguer entre elles ou à un système d'information centralisé sans intervention humaine. Ainsi, cet « Internet des objets » permet à des équipements tels que des compteurs, des pompes, des vannes, des instruments de mesure, d’échanger des données informatiques, graphiques, visuelles ou sonores avec les systèmes d'information, automatiquement, en temps réel, au travers d'un réseau. La banalisation des objets communicants fixes ou mobiles, la baisse des coûts de communication, l’amélioration de la performance des réseaux et la disponibilité de plates-formes de services dédiées permettant de gérer de nombreux objets et configurations ont ouvert aux exploitants et aux gestionnaires de systèmes de nouvelles perspectives impactant directement leurs modes de gestion. Dans le domaine de l'eau, les applications potentielles, extrêmement nombreuses, se banalisent au fur et à mesure que les équipements embarquent intelligence et capacités de communication.

L’essor du Machine To Machine repose sur la combinaison de trois technologies devenues aujourd'hui suffisamment matures pour assurer au M2M un avenir prometteur : la banalisation des équipements intelligents et communicants, le développement des réseaux de communications et de plate-

Initialement issue du monde de l’hydraulique, les pompes se sont ouvertes ces dernières années au monde de la régulation. Aujourd’hui, elles embarquent intelligence et communications qui leur permettent de jouer un rôle actif au sein du réseau.

formes de services issues des technologies de l'information et de la communication (TIC).

Des technologies matures

Les objets dits « intelligents » et « communicants » regroupent principalement des capteurs et actionneurs capables de communiquer avec le monde extérieur. Il peut s'agir par exemple de puces RFID, de modules de géo-localisation par GPS, ou encore de caméras vidéo pilotables à distance. Ces capteurs et actionneurs peuvent être embarqués dans des machines dédiées comme c'est par exemple le cas pour des automates programmables. Jusque-là rien de bien nouveau : l'instrumentation des réseaux d’eau potable et d’assainissement a fait ces dernières décennies largement appel aux nombreux atouts de la télégestion et à la capacité croissante des instruments et des équipements à communiquer, y compris entre eux. Le fonctionnement à distance de pompes ou de vannes, selon des valeurs de consignes prédéfinies est d'une extrême banalité. Tout comme le pilotage à distance de robots d’inspections des canalisations capables de se localiser par GPS.

Le M2M doit son essor à la multiplication d'équipements communicants capables de « dialoguer » entre eux de différentes façons : soit via un lecteur spécifique et des ondes radio comme c'est le cas des puces RFID, soit via des modules de communication intégrés aux objets comme par exemple un module GSM ou encore une connexion Wi-Fi. La multitude des objets se trouvant dans un espace donné pourrait rendre complexe la connectivité de l'ensemble à un point d’accès unique. Il n’en est rien. Des solutions spécifiques, par exemple des réseaux maillés basés sur un protocole de détection de voisinage, constituent un réseau local ad-hoc entre les différents équipements qui le composent sans avoir recours à une infrastructure réseau particulière. Ceci est notamment intéressant dans le cas de réseaux sans fil, pour lesquels des solutions standards tels que ZigBee, commencent à apparaître. Dans certains cas, on trouvera aussi des passerelles spécifiques dont le rôle est de préparer les données en provenance des équipements et vice versa, afin de faciliter et d’optimiser leur transport sur le réseau. Ces passerelles identifieront les équipements, s'assureront de leur autorisation d’accès au réseau, prendront en charge la conversion en XML des données échangées, leur compression, ou encore la connectivité IP, réduisant d’autant l’intelligence requise dans les équipements et leur maintenance. E-Com de Cla-Val en est un exemple très concret : l’e-Com permet de relier un ou plusieurs équipements de la série électronique d’équipements embarqués sur une vanne de régulation tels que positionneur, PLC ou encore motorisation.

Cet ensemble s'inscrit dans une famille de produits électroniques appelés e-Line. Les fonctions de transport et de communication de cette passerelle sont les suivantes :

- Communication avec les équipements e-Line via une liaison série ou via un réseau Wi-Fi (tous les équipements Cla-Val e-Line étant abonnés d'un réseau Wi-Fi privé).

- Connexion vers un réseau Ethernet en utilisant le protocole TCP/IP.

- Liaison série RS232/485.

Les fonctions standards de services sont les suivantes :

- Accès aux données/paramètres des équipements e-Line via ModBus-TCP ou TCP/IP.

- Accès aux données/paramètres des équipements e-Line via un site Web embarqué en utilisant le protocole http.

- Accès aux données/paramètres des équipements e-Line via une liaison série RS232/485 (utilisation de réseau radio, GSM, ou encore satellite).

Les fonctions privées de services sont constituées par une gestion à distance avec la plateforme de service Cla-Val des équipements.

Toutes ces fonctions permettent au gestionnaire d'un réseau d'intervenir à distance sur les vannes de régulation à des fins de télé-

maintenance, d’autodiagnostic voire de programmation. « À l'avenir la combinaison dans la régulation entre l’hydraulique et l’électronique deviendra un standard pour une gestion facilitée des réseaux », estime-t-on chez Cla-Val.

Parallèlement au développement de ces équipements intelligents, on a assisté ces dernières années à la multiplication de réseaux de communication, filaires ou sans fil, permettant d’échanger des données entre les objets et systèmes d’informations. Les infrastructures de réseaux mobiles sont arrivées à un stade de déploiement avancé et les coûts de plus en plus bas poussent les opérateurs à chercher de nouvelles applications. Quels sont ces réseaux ? On distingue généralement le mode de transport, qui peut être aussi bien un réseau ADSL, Wi-Fi, Wimax, Mesh, GPRS, 3G ou encore GSM, du protocole d’échange, le plus souvent basé sur TCP/IP. Ce dernier offre de nombreuses perspectives via la banalisation du haut-débit en permettant de véhiculer la voix et les données à des coûts encore plus bas. Troisième composante d'une application M to M : la plateforme de services. Il s'agit de l’application qui va rendre possible l'interaction, l'administration et l’exploitation des équipements intelligents et communicants, l’acheminement des données et la traçabilité des échanges. L'application comprend généralement un middleware dont le rôle est d’orchestrer les flux de données entre les différents équipements : interfaçage de différents standards tels que XML et Web Services, gestion des files d’attente, traitement des alarmes, etc.

Tout ceci permet de doter le moindre équipement de capacités de communication permettant d’initier un dialogue M to M, allant au-delà du dialogue homme/machine que nous connaissons déjà. Dans le domaine des pompes et des vannes par exemple, ce mouvement est engagé depuis plusieurs années, faisant de ces équipements des composants actifs pour la surveillance des procédés.

Quand pompes et vannes surveillent les procédés

Initialement issues du monde de l’hydraulique, les pompes se sont ouvertes ces dernières années au monde de la régulation. Aujourd’hui, elles embarquent intelligence et communications qui leur permettent de jouer un rôle actif au sein du réseau.

En développant Pump Expert, un système intelligent de diagnostic pour pompes centrifuges quel que soit leur type et leur constructeur, KSB a ouvert la brèche en offrant à l’exploitant la possibilité de surveiller et de diagnostiquer le fonctionnement d’une pompe. En recueillant et en analysant les données numériques issues des capteurs situés dans la pompe, l’exploitant est informé dès qu’un des composants court un risque. Il sait de quel composant il s’agit, quelle en est la cause et comment y remédier. Cette première interface homme/machine a permis d’adapter l’entretien des machines en fonction de leur état réel et non plus supposé. La disponibilité et la sécurité de fonctionnement des groupes de pompage s’en trouvent augmentées pendant que le coût global de possession des équipements a diminué.

Et l’interface a évolué. Alors qu'elle reposait sur le suivi de valeurs seuils standards telles que la pression, le débit, la vitesse de rotation ou encore la température, elle évolue vers des modèles plus avancés. La thermographie ou l’analyse vibratoire permettent par exemple d’aller bien plus loin en détectant plus finement les défaillances, à la manière de l’exploitant qui vérifie « à l’oreille » si sa pompe fonctionne bien ou non. Et comme l'état de fonctionnement d'une pompe est bien souvent le reflet de l'état du procédé dont elle est partie intégrante, ces systèmes transforment les pompes en composants actifs du réseau. Conçus initialement pour détecter les baisses de performances et anticiper les pannes, ces interfaces permettent de « faire parler » les groupes de pompage et ainsi de les transformer en composants « intelligents » ou tout au moins « communicants ».

Flygt a également proposé très tôt une vaste gamme d’automates et de passerelles de

communication qui permettent aux groupes de pompages de jouer au sein du réseau le rôle de chef d’orchestre. Le MAS 711, nouveau système de contrôle et de télégestion de Flygt, est le successeur du CAS (Control and Status System). Leur différence réside dans l'étendue des informations recueillies : conçu avec un petit nombre de capteurs de base (fuite dans le boîtier de connexion, fuite dans le boîtier du stator, variations thermiques dans le boîtier du stator et mesure de la température dans le roulement principal), le CAS n’émettait qu'un signal d'alarme faute de pouvoir transmettre des valeurs mesurées. Le MAS 711 compile un bilan complet de l’état de la pompe intégrant la durée cumulée de fonctionnement, le nombre de démarrages, l'intensité et la puissance, la mesure de la température et des vibrations et envoie toutes ces informations à l'opérateur sous forme de pages Web par l’intermédiaire d'un réseau ou d'un modem. Bientôt, la multiplication des capteurs et la miniaturisation des unités de commandes associées aux logiciels et aux systèmes de communication embarqués permettront de fournir des produits et des services très évolués susceptibles d’ajouter une valeur considérable à des technologies jusqu’ici autonomes.

Et parce que toutes les machines tournantes ne se comportent pas de la même façon et que l'analyse des vibrations doit être adaptée à la machine à surveiller, Emerson Process Management propose un nouvel applicatif embarqué dans son transmetteur CSI 9210, pour l'instant réservé aux industries de process. Incorporant des algorithmes à réseaux de neurones et logique floue, il est capable de s’auto-adapter en fonction de la pompe qu'il est chargé de contrôler.

Les vannes ne sont pas en reste. Les nouveaux contrôleurs et les dispositifs de diagnostics embarqués fiabilisent ces équipements qui gagnent eux aussi en intelligence comme en interactivité. Metso Automation se consacre par exemple à l'amélioration de la performance et à la diminution des coûts de fonctionnement de ses clients. Les appareils de la gamme Neles Smart Solutions (Contrôleur numérique de position ND9000®, solution logicielle Neles FieldCare™ et contrôleur intelligent pour vannes TOR hautement cyclées Neles SwitchGuard™) mettent en équation intelligence et optimisation au moindre coût. La technologie numérique permet une surveillance d'état des appareils et leur configuration process en marche, un suivi à distance des performances grâce à la fonction diagnostique embarquée, une réduction des coûts opérationnels grâce à une planification de la maintenance afin qu'aucune défaillance d'un appareil n'impacte le process. « C'est dans la précision de la prévision que ces solutions numériques puisent leur valeur ajoutée » précise-t-on chez Metso Automation.

Au-delà des pompes ou des vannes, la miniaturisation des dispositifs, puces, capteurs et actionneurs fait de tous les composants d’un réseau d’eau potable ou d’assainissement des terminaux potentiels capables de dialoguer et d’interagir entre eux : débitmètres, compteurs, dataloggers sont autant de maillons potentiels qu'il est possible d'intégrer au sein d'un même réseau et d'un système d'information pour exploiter ces équipements intelligents et communicants.

Des applicatifs pour exploiter un nombre toujours croissant d’équipements communicants

Aujourd’hui, après avoir relié les entreprises entre elles (B2B), les entreprises et les hommes (B2C), les hommes entre eux (messageries), les protocoles Internet permettent de relier les machines entre elles. Dans le monde industriel, l’évolution est notable : là où l’on utilisait auparavant plusieurs types de réseaux (bus de terrain reliant les capteurs et les actionneurs, réseau industriel propriétaire reliant les machines et les automates, réseau d'entreprise reliant l’ordinateur de suivi de la production à l’informatique interne), on utilise de plus en plus les protocoles Internet. D’où l’essor du M2M qui fait référence à l’interconnexion et à la supervision à distance des machines via les protocoles Internet ou le cellulaire. Car en réalité, les communications entre machines existent déjà depuis longtemps sur réseau filaire, via le réseau téléphonique commuté. Mais le développement des nouveaux réseaux de communication ouvre de nouvelles perspectives que suivent de près les différents acteurs du marché : GSM et ADSL ont ainsi enrichi le panel des connectivités des équipements de télégestion depuis longtemps. Le M2M ne constitue donc pas une rupture technologique. Il s'appuie plutôt sur l’évolution de différentes technologies déjà bien installées : les équipements électroniques (capteurs, terminaux RFID…), les réseaux (mobiles et hauts débits) et les logiciels. Pour fédérer ces différents outils, le M2M recourt à des middlewares qui constituent le pivot des applications de communication entre machines.

Plusieurs constructeurs de solutions offrent déjà des solutions spécifiques au Machine To Machine. Certaines ont déjà trouvé des applications dans le domaine de l'eau à l'image de Wavenis, une technologie sans fil ultra basse consommation et longue portée proposée par Coronis Systems. Dotées des capacités d'extension vers la technologie Bluetooth, les plateformes Wavenis se sont déployées sur des applications matures telles que la télérelève des compteurs et la télémétrie par exemple.

À partir de cette technologie, Coronis a mis au point une solution radiofréquence pour la télérelève à pied, en véhicule ou par réseau fixe. Elle se décline en produits tels que Wavecell, une gamme de passerelles RF assurant la connexion avec le réseau RF/GSM. Ces modules assurent la collecte et la mémorisation des informations provenant des équipements connectés au réseau local M2M puis transfèrent ces informations horodatées au moyen de SMS/GPRS à un serveur distant.

Saur a déployé un système de relève de ce type aux Sables d’Olonne (Vendée) pour les 20 000 clients du Syndicat Départemental d’Alimentation en Eau Potable de la Vendée. Le principe consiste à positionner sur le compteur d’eau un module radio en charge de transmettre les index vers un concentrateur GSM. Ce dernier, qui regroupe les informations d’une zone géographique équivalente à un quartier, les transmet ensuite au moyen de messages SMS/GPRS qui sont décodés et traités automatiquement par les applications informatiques de Saur France. La télérelève des consommations est déclenchée en fonction des besoins ou des attentes des clients de Saur, qu'ils soient particuliers, collectivités ou industriels.

Autre application, le service « Tranquileau » proposé par Edelia, une filiale d’EDF, permet de transférer au jour le jour les index des compteurs d’eau depuis le domicile des utilisateurs jusqu'aux serveurs de traitement d’EDF. Concrètement, les passerelles placées à domicile enregistrent les indices qu'elles reçoivent par radio depuis les compteurs d’eau et les transmettent ensuite sur Internet via le modem ADSL du client ou via un réseau GPRS. Un middleware enregistre alors les données et les transmet vers les serveurs d'analyse des consommations d'Edelia. En cas d’anomalie ou d'écarts anormaux de consommation, le consommateur est alerté via e-mail, SMS, téléphone ou Web.

Plus généralement, ce sont les réseaux d’eau potable ou d’assainissement qui concentrent les solutions M2M les plus avancées.

Améliorer la conduite des réseaux avec le M2M

Profitant tout à la fois de la généralisation du tout numérique, de l’essor du sans fil et des progrès enregistrés dans le domaine de l’autonomie en énergie des équipements, les applications de détection des fuites proposées par Primayer, Hydreka, Sewerin, Seba, TD Williamson ou de télérelève de compteurs proposées par Actaris, Sappel ou Sensus ont rapidement fait leurs preuves sur le terrain.

Depuis 2003, pour les réseaux d’eau potable et d’assainissement, Hydreka propose une offre globale baptisée H.M.S (Hydreka Monitoring System). Celle-ci inclut la fourniture de chaînes de mesure, d'un système de communication par réseau radio fixe longue portée VHF et d'un hébergement de données les rendant accessibles 24 h/24 et 7 j/7.

Dans un premier temps développé pour la relève de compteurs d’eau et pour la prélocalisation de fuites, ce système de récupération des données est dorénavant modulaire et multi-paramètres. Il fait ainsi converger plusieurs informations de différents capteurs à travers le même réseau radio.

Cette technologie de communication radio permet de s'affranchir des trous du réseau et de pouvoir ressortir, à coup sûr, le signal de galeries souterraines. De plus, cette nouvelle technologie est deux fois moins chère et plus facile de mise en œuvre que les solutions mono-paramètres par GSM ou radio.

Comme le souligne Alain Soulié, Directeur

général d’Hydreka, « Ce principe de récupération des données par radio est en cours de généralisation comme mode de communication sur l’ensemble des chaînes de mesure Hydreka, vu sa fiabilité et son faible coût ».

Sensus propose de son côté son système de télérelève Sensus((S))cout, un système bidirectionnel permettant à la fois la collecte des données de consommation d’un réseau et l’interrogation des informations d’un compteur sélectionné par l’opérateur. Il est disponible en deux versions : déportée ou compacte.

Dans sa version à module déporté, Sensus((S))cout reprend la technologie éprouvée des capteurs HRI, pourvus d’un câble et reliés à un émetteur radio. Pour des mises en œuvre délicates, dans des puits profonds ou potentiellement immergés, le transpondeur déporté permet d’améliorer la propagation des ondes radio. Sensus propose également une solution compacte adaptée aux emplacements exigus.

Le module Sensus((S))cout-S est alors à la fois capteur d’impulsions et émetteur. Une fois paramétrés sur site, les compteurs peuvent être lus à distance au moyen d’un terminal mobile.

Suez Environnement est également très impliqué dans le M2M, notamment en France, au travers de différents projets. C’est par exemple Aviz’eau, une application de télérelevé de compteurs qui repose sur une technologie innovante basée sur la radio-transmission VHF. Environ 40 000 à 50 000 compteurs seront équipés de ce dispositif fin 2007.

Avertir est un autre dispositif de prélocalisation de fuites en « temps réel » basé sur des prélocalisateurs acoustiques raccordés à un système d’information intégré et sécurisé. On peut également citer RAMSES qui gère en temps réel le réseau pluvial de la Communauté Urbaine de Bordeaux et E@sy, un projet de mise en œuvre d’une infrastructure nationale de gestion des données industrielles.

Le M2M est aussi en plein développement dans plusieurs filiales du groupe, dont les filiales espagnoles (Aguas de Barcelona), algérienne (SEEAL) et américaine (United Water). Enfin, Degrémont, filiale de Suez Environnement, installe très souvent des architectures M2M sur les usines et autres stations d’épuration qu’elle est amenée à construire. ■