Supervision industrielle

1. Supervision industrielle
GiD
Novembre 2018
0

2. Plan du cours
1
1. Introduction à la supervision industrielle
a) Généralités
b) Relation avec les niveaux du CIM
2. Fonctions d’un système de supervision
a) Généralités
b) Fonction surveillance
c) Fonction commande
d) Fonction archivage
3. Conception d’un système de supervision
a) Définition du besoin
b) Choix du matériel
4. Communication
a) Architectures
b) Protocoles de communication
5. Les Logiciels de Supervision
6. Etude de Cas

3. 1. Introduction
2
a. Généralités
Problématiques :
- Nombreuses pannes
- Appareils et machines hétérogènes
- Installations distribuées géographiquement
- Nombre de données très important (TOR et analogiques)
- Peu de visibilité sur l’ensemble du processus
- Pas d’indicateurs de performance
Comment augmenter la productivité d’un
système de production complexe ?
Contexte :
- Réduction du personnel
- Exigences : juste qualité, traçabilité, flexibilité des ressources,
gestion de l’énergie

4. 1. Introduction
3
a. Généralités
Surveiller l’état de fonctionnement d’un procédé pour l’amener et le
maintenir à son point de fonctionnement optimal.
- Collecte d’informations en temps réel
- Affichage de l’état du système et de son évolution
- Mise en évidence des anomalies (alarmes)
- Aide au diagnostic et à la prise de décision
- Interface permettant la commande du système
- Archivage d’informations sélectionnées
SCADA en anglais : Supervisory Control And Data Acquisition

5. 1. Introduction
4
Marché :
a. Généralités
Source markets and markets.com
human-machine-interface-technology-market
Leviers
•Evolution de l'Internet des objets industriel (IIoT) et
demande croissante de solutions d'automatisation
intelligente
•Augmentation du taux d'adoption des équipements
d'automatisation industrielle dans le secteur
manufacturier (Industrie 4.0)
•Besoin croissant d'efficacité et de surveillance
dans l'usine de fabrication
Freins
•Coût d'installation
•Complexité de la structure
Opportunités
•Augmentation des investissements dans les
projets d'énergie renouvelable
•Développement des réseaux électriques
intelligents et des réseaux sans fil
Défis
Risques de sécurité croissants associés à la plate-
forme cloud – IHM

6. 1. Introduction
5
Domaines d’applications
Les processus critiques :
- centrale nucléaire
- contrôle aérien
a. Généralités
Les installations réparties :
- transport de produits chimiques
- alimentation en eau potable
- canalisation de gaz et de pétrole
- distribution d’électricité
Les installations industrielles complexes :
- métallurgie (laminoir, …)
- production agroalimentaire (lait, céréales...)
- production manufacturière (automobile, …)

7. 1. Introduction
6
La supervision d’une plateforme
pétrolière en quelques chiffres :
- Surveillance de 500 variables analogiques et 2500 variables TOR
- Alarmes générées sur dépassement de seuil
- Défaut majeur => 500 alarmes en moins d’une minute
- Un problème mineur toutes les demi-heure et un problème majeur par semaine
a. Généralités

8. 1. Introduction
7
Les salles de supervision :
du tableau électrique mural aux solutions base PC
salle de contrôle d’un réacteur de la centrale nucléaire de Tchernobyl
a. Généralités

9. 1. Introduction
8
Les salles de supervision :
du tableau électrique mural aux solutions base PC
centre de contrôle du réseau électrique de
l’Ontario
centre de contrôle à distance de centrales
solaires à Lyon (EDF ENR)
a. Généralités

10. 1. Introduction
9
CIM : Computer Integrated Manufacturing ou l’usine communicante
b. Relations avec les niveaux du CIM :

11. 1. Introduction
10
b. Relations avec les niveaux du CIM :
De quel progiciel relèvent les fonctions suivantes ?
Gestion des stocks
Facturation
Administration du personnel
Gestion du planning de fabrication
Traçabilité de la fabrication
Suivi des actions commerciales
Gestion des équipements
Ordonnancement de la production
Achat des matières premières
Contrôle de la qualité
Gestion des investissements
ERP
GPAO
GMAO
MES

12. 1. Introduction
11
GPAO : Gestion de Production Assistée par Ordinateur
- Progiciel situé au niveau 4 du CIM, intégré dans l’ERP
b. Relations avec les niveaux du CIM :

13. 1. Introduction
12
GMAO : Gestion de Maintenance Assistée par Ordinateur
- Progiciel situé au niveau 4 du CIM, intégré dans l’ERP
b. Relations avec les niveaux du CIM :
GMAO

14. 1. Introduction
13
ERP : Enterprise Resource Planning (niveau 4 du CIM)
b. Relations avec les niveaux du CIM :

15. MES
1. Introduction
14
MES : Manufacturing Execution System
- Progiciel situé au niveau 3 du CIM (entre ERP et supervision)
b. Relations avec les niveaux du CIM :

16. 1. Introduction
15
MES : Manufacturing Execution System
Exemples de questions auxquelles un MES peut répondre :
b. Relations avec les niveaux du CIM :
- De quel fournisseur provenait le colorant utilisé dans ce yaourt refusé par le contrôle qualité ?
- L’équipe du matin est-elle plus performante que celle de l’après-midi ?
- La cuve du mélange ayant servi à la préparation des produits du 13/9 avait-elle été lavée ?
- Combien de points de productivité perdons-nous à cause des nouveaux réglages ?
- Avons-nous le temps de passer la promo avant la livraison prévue demain matin ?
- Les opérateurs préfèrent utiliser la machine SESKA pour ce produit car
elle connait moins de problèmes, mais n’est-on pas perdant au global ?
Traçabilité
Gestion du personnel
Qualité
Analyse de performances
Ordonnancement
Gestion des ressources

17. 1. Introduction
16
b. Relations avec les niveaux du CIM :
Avant
En résumé, le MES permet:
- De fournir aux commerciaux des données
précises utiles à l’acceptation des commandes
- De mettre en fabrication rapidement un nouveau
produit
- De réordonnancer la production rapidement
- De diagnostiquer rapidement une dérive
du process

18. 1. Introduction
17
b. Relations avec les niveaux du CIM :
Avant
En résumé, le MES permet:
- De fournir aux commerciaux des données
précises utiles à l’acceptation des commandes
- De mettre en fabrication rapidement un nouveau
produit
- De réordonnancer la production rapidement
- De diagnostiquer rapidement une dérive
du process
Témoignage Apports du MES
https://youtu.be/Tf_yvmidf5M

19. 1. Introduction
18
b. Relations avec les niveaux du CIM :
La supervision dans le CIM : Niveau 2 du CIM

20. 2. Fonctions d’un système de supervision
19
Les principales fonctions d’un système de supervision :
a. Généralités
Commande Surveillance Archivage
• Logiciel applicatif, contrairement aux autres progiciels (GPAO, MES,...)
• Collecte les données issues des équipements de production en temps réel
• Assiste l’opérateur dans ses actions sur le processus
• Informe l’opérateur des dysfonctionnements et l’aide dans son diagnostic
• permet l’analyse ultérieure pour améliorer la productivité, gérer la qualité, la traçabilité.
Le logiciel de supervision

21. Archivage
interne
Gestion de variables en
temps réel
Enregistrements Base de données
externe (ex. SQL)
Traitements sur
variables internes
Interface Homme-
Machine
Automates,
E/S déportées
Serveurs de
données
Evènements, gestion des
acquittements
Structure d’un système de supervision
20
Archivage
sélectif
Gestion
graphique
Alarmes
Calculs
Interface
physique
Interface
logique
2. Fonctions d’un système de supervision
a. Généralités

22. 2. Fonctions d’un système de supervision
21
La fonction surveillance : pas d’action sur le système
b. Fonction surveillance
• Collecte en temps réel des données provenant du système de production
• Reconstitution de l’état du système sous forme synthétique (synoptique)
• Détection et signalement d’un dysfonctionnement (alarmes)
- localisation des alarmes par bloc fonctionnel
- classement des alarmes par niveau de criticité
- avertissement de l’opérateur à distance (envoi automatique de mail, sms)
• Collaboration avec l’opérateur pour la prise de décision
- affichage d’un message explicite pour aider l’opérateur dans sa résolution en fonction du
contexte générale

23. b. Fonction surveillance
Un synoptique : Vue globale du processus complet
22
Production d’eau glacée - vue générale [source Wonderware]
2. Fonctions d’un système de supervision

24. b. Fonction surveillance
Un synoptique : Vue d’un sous-ensemble avec affichage des alarmes
23
Production d’eau glacée - vue d’une station de secours [source Wonderware]
2. Fonctions d’un système de supervision

25. b. Fonction surveillance
24
Suivi de production : Avancement de l’OF en temps réel
2. Fonctions d’un système de supervision

26. 25
Blackout au Nord-Est des USA le 15 août 2003
La supervision en cause
- mauvaise présentation et synthèse des informations
- absence d’aide efficace à la prise de décision
 Incapacité des opérateurs à mesurer l’impact des incidents
 Ecroulement du réseau électrique
Mauvais exemple...
- perte de 61800 MW
- 50 Millions de personnes privées d’électricité pendant 4 à
10 jours
- coût de la panne entre 4 et 10 Milliards de $
2. Fonctions d’un système de supervision

27. 26
La fonction commande:
c. Fonction commande
• Envoi de consignes en fonctionnement nominal
• Modification des recettes
• Envoi d’ordres prioritaires pour déclencher des procédures de sécurité (arrêt d’urgence,
procédures de repli)
• Adaptation du processus à l’apparition d’un dysfonctionnement (gestion de modes dégradés,
réinitialisation, reprise)
2. Fonctions d’un système de supervision

28. 2. Fonctions d’un système de supervision
c. Fonction commande
27
Modification des consignes : ex : gestion manuelle des températures
WinCC flexible Runtime - Représentation d'un brûleur [source Siemens]
Modification du mélange [source Siemens]

29. 28
La fonction archivage :
d. Fonction archivage
• Enregistrement de données sur serveur dans une BDD :
- données externes ou internes
- enregistrement continu cylique (toutes les x secondes)
- enregistrement sur évènement (dépassement de seuil, ...)
- horodatage de chaque enregistrement
- définition pour chaque variable
- Objectifs :
- analyse ultérieure des dysfonctionnements
- analyse statistique du système : disponibilité (MTBF, ), qualité
- Affichage sur courbe
- Exportation au format .csv pour traitement sur tableur (excel)
2. Fonctions d’un système de supervision

30. Courbes d’évolution :
29
2. Fonctions d’un système de supervision
d. Fonction archivage

31. 3. Conception d’un syst. de supervision
a. Définition du besoin
1. Acquisition des données:
- définir les données à collecter pour définir l’état de chaque bloc fonctionnel
- définir les données à collecter pour détecter un dysfonctionnement
- définir les supports et les protocoles de communication
30
2. Archivage:
- sélectionner les données (variables et actions opérateur) à archiver
- définir la durée d’archivage (court terme/long terme)
- définir la capacité et la structure de l’archivage (serveur, redondance)

32. a. Définition du besoin
31
3. Alarmes :
- définir les seuils acceptables sur chaque variable
- donner une priorité à chaque alarme (suivant la criticité du défaut)
- Définir le message d’alarme associé :
- le constat : surintensité ventilateur coffret électrique
- les causes : Température trop élevée dans le coffret
- les conséquences : risque d’arrêt du contrôleur de robot
- Définir la procédure d’acquittement du défaut par l’opérateur
3. Conception d’un syst. de supervision

33. 32
a. Définition du besoin
5. Définition des écrans d’exploitation:
- En fonction du nb d’alarmes, définir le nombre de postes de
supervision (ni surchage, ni sous-charge)
- définir les différents écrans pour chaque poste:
- vue générale
- synoptiques de chaque sous-ensemble (alarmes, courbes)
4. Actions sur le système :
- A l’aide du GEMMA, définir :
- le mode de fonctionnement normal de l’installation
- les modes de fonctionnement dégradé
- les modes de reprise après défaut, les procédures d’initialisation
- les paramètres modifiables en fonctionnement normal
3. Conception d’un syst. de supervision

34. a. Définition du besoin
33
6. Gestion de la sécurité:
- définir les groupes d’utilisateur et droits associés
- verrouillage des fonctionnalités suivant les droits de l’utilisateur
3. Conception d’un syst. de supervision

35. b. Choix du matériel
Les gammes d’IHM : terminal opérateur localisé près de la machine
Utilisables pour un poste de conduite, mais pas de supervision
34
Pupitre opérateur à écran matriciel
Boîtes à boutons intégrées
Gain de temps par rapport au câblage
traditionnel de l'ordre de 60 %.
Pupitre opérateur à écran graphique (tactile) Terminaux d'exploitation mobiles
Applications filaires ou applications de
sécurité sans fil via IWLAN (ou 3G, NFC)
3. Conception d’un syst. de supervision

36. b. Choix du matériel
Les terminaux opérateurs avec fonctions avancées :
35
- Affichage de courbes en temps réel et historique
- Archivage en local ou sur serveur distant, accessible sur Ethernet
- Envoi de mails sur évènements
- Système d’exploitation propriétaire, jusque 4Go de mémoire
Les PC industriels, pour environnements sévères :
- Système d’exploitation Windows
- utilisable comme poste de conduite intégré au système de
supervision
3. Conception d’un syst. de supervision

37. b. Choix du matériel
Le poste de supervision
36
- constitué de un ou plusieurs PC avec système d’exploitation adapté au logiciel de
développement (en général Windows)
- pas de classe de protection spécifique (environnement bureau)
3. Conception d’un syst. de supervision

38.  localisation des serveurs
 volume et disponibilité des données
 criticité du process
 besoins en développement
 besoins en archivage
Le choix de l’architecture se fera en fonction de :
4. Communication
a. Architectures
37
 Le nombre de postes de supervision

39.  Le poste de supervision est composé d’une interface de communication avec les matériels
d’automatisme, d’ une application de supervision et d’une BDD pour l’enregistrement des
alarmes et des événements.
 Avantages : solution la plus économique, convivialité, simplicité et rapidité de mise en
œuvre. Convient à des applications de petite taille.
Acquisition
de données
Poste de supervision
API
4. Communication
a. Architectures
38
Architecture monoposte :

40.  Chaque poste est composé d’une application, d’une BDD et d’une interface de
communication.
 Avantages : Distribution de l’exploitation
4. Communication
a. Architectures
39
Architecture multiposte avec acquisition répartie :

41.  Chaque poste est composé d’une application, un seul dispose d’une BDD. Les postes clients
récupèrent les informations via le poste serveur.
 Avantages : Distribution de l’exploitation sur un réseau Ethernet, requête unique vers les
automates, transmission externe facilitée (internet). Convient à des applications non critiques.
4. Communication
a. Architectures
40
Architecture multiposte client-serveur :
Poste client Poste client
Poste serveur

42.  Architecture avec un serveur dédié à l’acquisition des données.
 Avantages : meilleures performances.
4. Communication
a. Architectures
41
Architecture multiposte avec serveur dédié :

43.  Architecture avec plusieurs serveurs assurant chacun l’acquisition d’une partie des données.
 Avantages : Acquisition locale répartie et supervision globale.
Serveur d’acquisition
1
Serveur d’acquisition
2
4. Communication
a. Architectures
42
Architecture multiposte avec acquisition sur serveurs :

44.  Acquisition des données répartie sur deux serveurs, avec basculement sur un seul serveur en
cas de problème d’un des deux serveurs.
 Avantages : Redondance à chaud en cas de rupture de communication d’un des 2 serveurs,
disponibilité élevée, sécurisation des données. Adapté à une application critique.
Serveur d’acquisition
(Primaire)
Serveur d’acquisition
(Secours)
4. Communication
a. Architectures
43
Architecture multiposte avec serveurs redondants :

45.  Architecture avec un serveur centralisé pour la collecte des données et alarmes historisées.
Un poste de développement permet le déploiement des modifications via le réseau sans qu’il
soit nécessaire d’arrêter l’application.
Poste de développement
Serveur d’acquisition
(Primaire)
Serveur d’acquisition
(Secours)
Archivage
Historiques
Postes d’exploitation
(synoptiques seuls)
Bases de Données et
Application
44
Architecture avec historique et développement centralisés
4. Communication
a. Architectures

46. • Protocole de communication entre applications sous Windows (propriété Microsoft)
• Intégré à de nombreux logiciels usuels (Word, Excel, Matlab, OpenOffice,…)
• Architecture client-serveur
Inconvénients:
• Conflits d’accès (1 seul client à la fois)
• Incompatibilité entre différents fournisseurs
• retiré de Windows depuis Vista
4. Communication
b. Protocoles de communication
DDE (Dynamic Data Exchange):
45

47. OPC-Object linked and embedding for Process Control :
Avantages:
• Indépendance par rapport au fournisseur de client
• Accès simultanés possibles à la même ressource
• Contrôle de validité des données
• Tient compte des spécificités des environnements industriels actuels (automates, E/S
déportées, variateurs, IHM, ...)
4. Communication
b. Protocoles de communication
47
• Apparu vers 1990 pour faciliter les échanges entre supervision et automatismes
• Standard d’échange et de mise à diposition de données entre équipements hétérogènes basé
sur le modèle client/serveur
• Un serveur OPC est une interface pour bus de terrain mettant à disposition les données du
process aux applications clientes OPC
• Le serveur OPC est indépendant de l’OS (disponible sur Linux,
• La fondation OPC regroupe les principaux acteurs de l’informatique industrielle

48. OPC-Object linked and embedding for Process Control :
4. Communication
b. Protocoles de communication
48
Choisi par le géant américain General Electric
Software, OPC-UA a l’ambition de devenir LE
standard d’opérabilité pour l’internet industriel
(industrie 4.0)

49. 4. Communication
Des failles dans la sécurité
49
Juin 2010 La centrale nucléaire de Bouchehr (Iran) attaquée par le virus Stuxnet
 Prise de contrôle du SCADA de l’usine
 modification de la vitesse de rotation de la centrifugeuse
 Arrêt de 1/5 des centrifugeuses iraniennes
Le SCADA est WinCC fabriqué par Siemens
(24 clients de Siemens touchés)
Stuxnet a transité par clés USB (réseau interne non connecté à Internet)
Cyberattaques
Décembre 2015 Crash Override paralysait trois sites relais
utilisés par les opérateurs ukrainiens pour acheminer l’électricité dans
une région au nord de Kiev.
Juin 2017 Plusieurs entreprises et administrations dans différents pays
du continent européen victimes d'une nouvelle cyberattaque massive au
ransowmare, cette fois une variante de Petya, NotPetya.

50. PcVue
TopKapi
Panorama E²
Indusoft Web Studio
Vijeo Designer + IDS (développement de terminal opérateur)
Vijeo Citect Lite (architecture monoposte)
Vijeo Citect + Vijeo Report
WinCC Flexible Standard (terminal opérateur)
WinCC Flexible Advanced (supervision)
InTouch
Archestra
5. Les logiciels de supervision
L’offre
50

51. 5. Les logiciels de supervision
L’offre
51
Nom Logiciel WonderWare: Intouch PCVue HMI PCVue Standard WinCC KEP
Avantage
-Logiciel présent sur le site de
l'ICAMVendée
-Moins cher que la solution
standard
-Entreprise revendeur présente à
la baule soit à 20km de Promens
-Logiciel conçu par Siemens et
compatible avec autre marques
- Icam déjà client
Temps de réponse 500-1s (dépend de l'application) 50 ms 50 ms 50 ms 10-100 ms
Nombre E/S (250-300 necessaires) 500 500 500 500 150 à 1 000 000
Nombre Pages écrans pas de limite pas de limite pas de limite pas de limite pas de limite
Bibliotheque Objet Oui 500 Oui Oui Oui Oui
Protocole et compatibilité Pas de limite 1 maximum 1 + 300€/protocole A partir de la licence 1500 E/S
Licence (Annuel… ?) Achetée Achetée Achetée Achetée Achetée
Mise à jour Payante
Gratuite si contrat de
maintenance
Gratuite si contrat de
maintenance
Gratuite pour la version acheté
SAV (Contrat annuel) Payant 17% du prix des licences 200€/ans 200€/ans Hotline Gratuite
Configuration Matériel (Intel Xeon…) Ok Ok Ok Ok
Configuration Logiciel (Windows 7, Server…)
Ok Ok Ok Ok
Stockage, Historique, BDD Propriétaire
Propirétaire ou BDD externe
(Acces, SQL, Oracle)
Propriétaire ou BDD externe
(Acces, SQL, Oracle)
Propriétaire ou BDD externe
(Acces, SQL, Oracle)
Inconvénients
-Prix
-Limitation logiciel
(environnement fermé)
-Délais de livraison
- Limitation à un seul protocole -Tout est payant
- Délais
-Prix
Délais Livraison 2 à 4 semaines
< à 1 semaine généralement 24 -
48h
Contact
(0)1 64 61 89 90 (Service Client)
01 64 61 68 (Eshop)
0 825 808 008 (Agence de nantes)
04 76 18 73 01 +33 (0)5 46 07 44 40
Prix TTC 8 500,00 € 3 800,00 € 6 505,00 € 15 000,00 € 2 300,00 €

52. 5. Les logiciels de supervision
InTouch (Wonderware)
52
http://www.youtube.com/watch?v=oKyAeJqseko&feature=plcp

53. • Spécifications de la solution:
• Pilotage de l’ensemble d’une station
• Envoi d’alarmes par Emails et SMS
• Export de données hebdomadaires et mensuels
• Prise en main à distance sécurisée
• Mise en réseau indépendante du réseau client final
• Cette application devra répondre aux points suivants :
• Interface graphique ergonomique
• Application adaptable
• Modulaire
• Archivage des données
• Export des données
• Visualisation de courbes
• Accès aux différents réglages
53
6. Etude de Cas
MSI 2015: Station d’Epuration

54. • Architecture retenue:
54
6. Etude de Cas
MSI 2015: Station d’Epuration
Envoi d’alarmes via GSM
Webserveur
Supervision
API et IHM intégrés

55. • Méthodologie de développement:
• Etape 1: Conception des écrans et des objets animés
• Etape 2: Caractérisation des variables utiles
– locales ou distantes (lien d’accès à configurer dans ce cas)
– valeurs minimales, maximales
– seuils d’alarmes
– mémorisées ou pas
– de type message, discret, entier ou réel
• Etape 3: Ecriture des scripts
– d’application, sur évènement, sur changement de variable, …
• Etape 4: Tests – Mise au point
55
6. Etude de Cas
MSI 2015: Station d’Epuration

56. 56
Sources :
• Supervision, outil de mesure de la production, Techniques de l’ingénieur, (J.M. Chartres, 1997)
• Compte-rendu de la conférence du 29/09/08, Supervision des processus industriels (JL.
Coullon, 2008)
• Introduction à la supervision (P.Bonnet, 2010)
• Présentation du MES – Pilotage et suivi des fabrications pensés comme un système intégré
(P.Allot, 2011)
• « We accelerate Growth » (Frost & Sullivan, 2011)
• Un Système d’Information Industriel pour garantir l’excellence opérationnelle (Dominique
Dupuis, Directrice de la Recherche Le CXP, septembre 2011)
• Comment vendre le MES aux décideurs ? (Jautomatise n°89 – Juillet /Août 2013)
• Partage d’expériences Assise du MES (J’automatise n°101 – Juillet/Août 2015)
• GE software mise sur OPC-UA (J’automatise n°100 – Mai/Juin 2015)