SysCom Système de commande à distance d unités mobiles de traitement des boues organiques

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1 SysCom Système de commande à distance d unités mobiles de traitement des boues organiques Rapport de projet version Finale présenté à Robert Bergevin et Éric Poulin par Équipe 08 Mud Engineering Group matricule nom signature Sylvain Champagne Pierre Grégoire Shanna Lajoie Guillaume Lévesque Marie-Pier Pouliot-Lavoie Alexandra Samson Cédric Thibeault Université Laval 13 avril 2012

2 Historique des versions version date description 27 janvier 2012 création du document 0 3 février 2012 rapport version février 2012 rapport version mars 2012 rapport version 2 Finale 13 avril 2012 rapport version Finale

3 Table des matières Table des figures Liste des tableaux iv v 1 Introduction 1 2 Description 2 3 Besoins et objectifs Besoins Commande locale des unités Opération des unités mobiles, localement et à distance Archivage et disponibilité des données Gestion des activités d entretien par les techniciens sur la route Considérations monétaires et de fiabilité Hiérarchisation des objectifs Cahier des charges Système de commande local Nombre d entrées et sorties Précision de la conversion Temps d exécution Facilité de programmation Convivialité de l interface Système de commande central Pourcentage de couverture Ergonomie du système Surface d affichage Système pour les opérations sur la route Autonomie énergétique Ergonomie du système Surface d affichage Gestion des données et de la communication i

4 TABLE DES MATIÈRES ii Sécurité et confidentialité Capacité de stockage Temps de communication et d accès aux données Coûts Coûts d implantation Coûts d opération Fiabilité Conceptualisation et analyse de faisabilité Diagramme fonctionnel Élaboration des concepts de solution Commander le procédé et interfacer localement Critères de faisabilité Concepts Interfacer et traiter depuis la route Critères de faisabilité Concepts Traiter et interfacer depuis l usine principale Critères de faisabilité Concepts Localiser les unités et les techniciens Critères de faisabilité Concepts Assurer la transmission des données Critères de faisabilité Concepts Sécuriser les données Critères de faisabilité Concepts Archiver les données Critères de faisabilité Concepts Gérer les données archivées Critères de faisabilité Concepts Étude préliminaire Plan d étude Stratégie d élaboration des solutions globales Évaluation des solutions globales Évaluation de la solution Système de commande local Système de commande central

5 TABLE DES MATIÈRES iii Système pour les opérations sur la route Gestion des données et de la communication Évaluation de la solution Système de commande local Système de commande central Système pour les opérations sur la route Gestion des données et de la communication Évaluation de la solution Système de commande local Système de commande central Système pour les opérations sur la route Gestion des données et de la communication Évaluation de la solution Système de commande local Système de commande central Système pour les opérations sur la route Gestion des données et de la communication Concept retenu Matrice décisionnelle Analyse de la matrice décisionnelle Présentation du concept retenu Spécifications du concept retenu Conclusion Bibliographie 60 A Liste des sigles et des acronymes 65

6 Table des figures 3.1 Hiérarchisation des objectifs Maison de la qualité Diagramme fonctionnel du projet SysCom Branchement avec les modules U iv

7 Liste des tableaux 4.1 Barème de la sécurité des données Synthèse du cahier des charges Caractéristiques du système CentumVP Analyse de faisabilité pour le système de commande local Analyse de faisabilité pour l équipement des techniciens Analyse de faisabilité pour le système central Analyse de faisabilité pour le système de localisation Analyse de faisabilité du système de transmission Analyse de faisabilité de la sécurisation des données Analyse de faisabilité du stockage des données Analyse de faisabilité de la gestion des archives Plan d étude pour le système de commande local Plan d étude pour le système de commande central Plan d étude pour le système d opération sur la route Plan d étude pour la gestion de la communication Plan d étude pour les critères globaux Résumé des solutions globales Synthèse de l étude préliminaire Matrice décisionnelle v

8 Chapitre 1 Introduction De nos jours, il est non seulement difficile de trouver des moyens efficaces de faire disparaître les déchets, mais il est surtout complexe d éliminer ou de recycler ceux-ci en respectant l environnement. C est d ailleurs le cas pour le traitement des boues organiques provenant des stations d épuration des eaux usées. Ainsi, la firme ÉcoloVal, qui se spécialise dans le traitement et la valorisation des ces boues, s est donné comme mission de préserver l équilibre entre le développement industriel et l environnement grâce aux technologies de pointe. En effet, puisque le transport de ces boues jusqu à l usine principale est dommageable pour l environnement, la compagnie souhaite mettre en place un système novateur d unités mobiles de traitement. Ces mini-usines pourront être transportées sur des remorques et seront en mesure de traiter sur place les boues organiques, ce qui diminuera considérablement les déplacements requis. Dans ce contexte, la firme EcoloVal a mandaté le Mud Engineering Group afin d élaborer et de proposer une solution pour le système de commande à distance de la flotte d unités mobiles. Le présent rapport expose donc les résultats des différentes étapes de design du projet ainsi que le choix de solution final. 1

9 Chapitre 2 Description Tel que mentionné en introduction, le système à conceptualiser est un système de commande à distance pour une flotte de dix usines mobiles. Le mandat du Mud Engineering Group s arrête aux signaux d entrées et sorties des unités mobiles et comprend l ensemble du système de commande. Plus précisément, le système doit inclure la commande industrielle du procédé de traitement des boues pour chaque unité, de même que la collecte,l acheminement et la sauvegarde des données à long terme. En fait, en plus de pouvoir être opérées localement, les unités mobiles doivent être entièrement opérables à distance soit par l un des techniciens sur la route, soit à partir d un centre de contrôle situé à l usine principale. Ce dernier doit permettre en tout temps le contrôle centralisé et la surveillance des opérations, car les unités fonctionnent de manière autonome. La position des unités et des techniciens sur la route doit elle aussi être connue en tout temps. De plus, les techiniciens doivent être en mesure de recevoir et traiter les différentes requêtes d intervention soumises depuis le centre de contrôle. Évidemment, le système proposé doit être fiable et sécuritaire afin de prévenir les intrusions informatiques et d assurer la confidentialité des données ; ces dernières pouvant par exemple servir à des fins de facturation aux clients. 2

10 Chapitre 3 Besoins et objectifs 3.1 Besoins Les besoins du client peuvent être regroupés en cinq besoins principaux, qu on peut ensuite diviser en données et contraintes à respecter : Commande locale des unités La commande locale des opérations de traitement des boues implique, sur chaque unité mobile, la gestion de 80 entrées/sorties numériques et de 40 entrées/sorties analogiques, cellesci devant être converties avec une précision d au moins 12 bits. La logique de commande du système devra être exécutée à toutes les demi-secondes ou plus rapidement ; en outre, elle devra être facilement programmable par les techniciens Opération des unités mobiles, localement et à distance Étant en mouvement, les unités mobiles doivent pouvoir être commandées à la fois sur place et à distance (que ce soit par le personnel au centre de gestion central ou par les techniciens sur la route), et ce grâce à une interface conviviale. À distance, les données lues et les commandes transmises aux unités devront donc être acheminées avec un taux de rafraîchissement spécifié à 5 secondes ou moins. En outre, leur position devra pouvoir être connue en tout temps, celle-ci pouvant raisonnablement avoir comme limite minimale le sud du Québec Archivage et disponibilité des données Au fil de du temps, l opération des unités mobiles générera des données d historique. Celles-ci devront être archivées au moins au 20 secondes pour ensuite être conservées sur une période d un an de manière durable et sécuritaire. 3

11 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS Gestion des activités d entretien par les techniciens sur la route Les techniciens en déplacement devront être munis d un système pouvant les avertir des problèmes survenant sur les unités mobiles. Il devra également permettre la gestion des interventions d entretien qu ils feront. Il est à noter que la position des techniciens devra aussi pouvoir être connue en tout temps à la centrale Considérations monétaires et de fiabilité Le client désire finalement que les solutions éventuellement proposées soient à la fois abordables et fiables.

12 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS Hiérarchisation des objectifs C est à partir des besoins de la section précédente que la hiérarchisation des objectifs du Mud Engineering Group peut être développée. Les quatres premiers objectifs exposés sont les objectifs fondammentaux pour le bon fonctionnement du projet, auxquels les sous-objectifs spécifiques ont été attachés. Viennent ensuite les objectifs secondaires de coûts et de fiabilité qui ne peuvent être comblés que si les objectifs fontionnels qui les précèdent sont satisfaits. Traiter les signaux Assurer la commande locale de chaque unité mobile Faciliter la programma>on du système de commande Offrir une interface conviviale Projet SysCom PermeDre le contrôle centralisé des unités mobiles depuis l'usine principale Gérer les ac>vités des techniciens sur la route Assurer la ges>on, le transfert et l'archivage des données du système Minimiser les coûts Maximiser la fiabilité Offrir un système efficace Localiser chaque unité en tout temps Offrir une interface conviviale Connaitre la localisa>on de chaque technicien en tout temps PermeDre aux techniciens de traiter à distance les demandes d'interven>on Maximiser l'autonomie des techniciens Minimiser les pertes de données Assurer la sécurité et la confiden>alité Op>miser la rapidité de transfert et d'accès Op>miser l'espace de stockage Minimiser les coûts de mise en place du système Minimiser les coûts d'opéra>on et de maintenance Favoriser des produits et/ou systèmes robustes et de bonne qualité Considérer la durée de vie des produits et le support disponible dans le futur Fig. 3.1 Hiérarchisation des objectifs.

13 Chapitre 4 Cahier des charges Ce chapitre présente l élaboration du cahier des charges pour le projet SysCom. Ce dernier contient les critères d évaluation ainsi que leur barème respectif et il met en évidence, s il y a lieu, les contraintes associées. Une pondération est attribuée à chaque critère, ce qui reflète la hiérarchisation des objectifs faite précédement (voir figure 3.1). La synthèse du cahier des charges est faite dans le tableau 4.2 à la page 13. Enfin, la corrélation entre les objectifs et les critères est représentée avec la maison de la qualité en page Système de commande local La pondération des critères pour cette section est de 25%, ce qui représente une part importante. En effet, la commande locale des unités mobiles est à la base du bon fonctionnement des autres systèmes du projet Nombre d entrées et sorties Un critère important pour évaluer le système de commande sur les unités mobiles est sans aucun doute le nombre d entrées que le système est capable de gérer. L une des contraintes pour ce projet est que le système proposé soit capable de gérer au minimum 40 entrées et sorties analogiques, ainsi que 80 entrées et sorties discrètes. Ce minimum doit donc générer un score de 0 pour ce critère. Cela dit, il peut être avantageux de prévoir des entrées et sorties en plus dans le cas de bris ou d éventuels ajouts aux processus de traitement des boues. Ainsi, le score maximal de 1 est donné aux concepts qui ont 10 entrées et sorties supplémentaires. Par exemple, pour obtenir la note parfaite, un système doit avoir 50 E/S analogiques et 90 E/S digitales. Les barèmes sont donc les suivants : A 40, A [40,50] (4.1) 10 D 80, D [80,90] (4.2) 10 6

14 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 7 où A est le nombre de paires d E/S analogiques et D le nombre de paires d E/S digitales. La pondération associée à ce critère est de 3% pour chaque type d E/S Précision de la conversion La gestion informatique d une boucle de régulation analogique requiert un système de conversion analogique-numérique précis. Sans cela, des déviations graves peuvent être rencontrées. Dans ce cas-ci, les installations du client imposent une contrainte de 12 bits de précision. En deçà de cette valeur, les propositions devront être rejetées. En contrepartie, le nombre de bits entraînant un score maximal de 1 pour ce critère peut être raisonnablement estimé à 16. Il ne faut pas oublier que l ajout d un bit double la précision disponible, et que la plupart des systèmes informatiques gèrent l information en mots de 16 bits. Les raisons d augmenter la précision de conversion au-delà de 16 bits deviennent ainsi moins tangibles. La formule suivante peut ainsi être introduite comme barème : b 12, b [12,16] (4.3) 4 où b est le nombre de bits du système. Ayant légèrement moins d influence sur le système que le premier, ce critère a une pondération de 5% Temps d exécution Il est attendu que le système de commande industrielle présent sur les unités mobiles soit contrôlé par une forme ou une autre de logique de programmation. Pour assurer une bonne régulation des processus, le client exige qu une exécution complète du programme de régulation prenne 500 ms au maximum. Évidemment, le temps pris pour cette exécution variera selon le système informatique qui l exécute ; il s agira donc d une bonne mesure d évaluation de la rapidité des solutions proposées. Il est également considéré qu au-delà du double du minimum exigé, augmenter la vitesse d exécution devient inutile. La formule d évaluation de critère est donc 500 t, t [500,250] (4.4) 250 où t est le temps d exécution du programme, en millisecondes. Améliorer le score de ce critère peut avoir une influence plus apparente sur la performance du système : il a donc une pondération de 8% Facilité de programmation Pour assurer le suivi et l amélioration à long terme du système proposé, il est essentiel que celui-ci soit facile à programmer. En l occurrence, le client exige que la méthode de programmation utilisée par celui-ci soit adaptée aux techniciens. Il faut se rappeler que ce sont des techniciens qui seront appelés à intervenir sur le procédé du système de commande

15 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 8 local et que la formation de ces derniers couvre généralement des langages de programmation spécialisés et spécifiques au contrôle industriel, comme le Ladder et le Grafcet. Dans cette optique, notre barème pour ce critère se basera sur la norme IEC , qui définit cinq langages de programmation à utiliser pour les contrôleurs industriels. Ainsi, les concepts ne supportant qu un seul des langages définis dans cette norme auront une note de zéro et ceux qui les supportent tous auront la note maximale. Le barème est donc le suivant : n 1,n [1,5] (4.5) 4 où n est le nombre de langages supportés. Ce critère présente en outre une pondération de 3% Convivialité de l interface Évidemment, il est attendu que l interface attachée au système sur les unités mobiles aide à donner des commandes et à récupérer des données de celui-ci. L ergonomie d une telle interface se mesure selon la facilité qu a son utilisateur à lire, écrire et interagir avec celle-ci. En ce sens, le nombre maximal d actions demandées pour effectuer une commande standard (exemple : ouvrir une valve, accéder à une donnée) est fixé à 12. Par action, on entend par exemple un clic, taper un mot ou encore changer de fenêtre dans une interface graphique. En contrepartie, il est raisonnable de fixer le nombre d actions donnant la note maximale à 3. On obtient donc le barème suivant : 12 x, x [5,12] (4.6) 9 où x est le nombre d actions requises pour une commande. Ce critère a une pondération de 3% sur l ensemble du projet. 4.2 Système de commande central La pondération pour les critères de cette section est de 20% ; après tout, le système de l usine principale est au centre du réseau entre les techniciens et les unités mobiles Pourcentage de couverture La couverture du système de positionnement utilisé pour localiser les unités et les techniciens est évaluée en tenant compte du fait que la firme ÉcoloVal compte restreindre ses activités à la province de Québec. On peut donc estimer cette couverture en termes de pourcentage de surface couverte par rapport à une zone allant de la frontière sud du Québec jusqu à la hauteur de la ville de Sept-Îles, dernier bassin de population avant les zones éloignées du Nord québécois. Une localisation précise et fiable (on parle de 10 mètres d erreur

16 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 9 ou moins) sur toute cette surface donne donc une note de 1 ; toute zone moins bien couverte fait baisser la note, une couverture de 99% donnant une note de zéro. Le barème est donc : p 99,p [99,100] (4.7) où p est le pourcentage de couverture minimal du système. La pondération de ce critère se trouve fixée à 8% Ergonomie du système L ergonomie offerte par le système central est évaluée en tenant compte à la fois de la convivialité de l interface proposée, ainsi que des performances informatiques qui lui sont associées. Le barème mesure ce critère en nombre d actions, comme le critère présenté en Les caractéristiques matérielles du système (vitesse de processeur, mémoire vive) sont toutefois prises en compte dans le calcul de ce nombre d actions : une meilleure performance tend à réduire celui-ci. La note maximale est ainsi attribuée pour 2 actions par commande standard, tandis qu une nécessité de 10 actions se voit attribuer la note zéro. 10 x,x [2,10] (4.8) 8 où x est le nombre d actions requises pour une commande. Ce critère a une pondération de 8% sur l ensemble du projet Surface d affichage La gestion des 10 unités mobiles depuis le centre de commande central demandera également une surface d affichage respectable, nécessaire à la prise en compte de la multitude de données informatiques qui jouent un rôle dans le processus. En faisant l estimation que l affichage des données d une unité mobile devrait prendre environ 350 cm 2, il est décidé que l affichage simultané de 5 unités mobiles donne une note de zéro, alors que l affichage des 10 en même temps donne une note de 1. Le barème obtenu est donc le suivant : A 1750, A [1750, 3500] (4.9) 1750 où A est l aire de la surface d affichage, en cm 2. L importance attribuée à ce critère se chiffre à 4% sur l ensemble du projet. 4.3 Système pour les opérations sur la route La pondération pour les critères de cette section est de 16% ; en effet, les techniciens seront les principaux acteurs en cas de panne des unités mobiles, et devront être équipés en conséquence.

17 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Autonomie énergétique Le travail des techniciens s étend sur la grande majorité de la province. L équipement doit être en mesure de fonctionner avec la possibilité qu il n y ait pas de source d énergie à proximité. L autonomie minimum se base sur un quart de travail normal de 8 heures en mode d économie d énergie. Dans le cas où l équipement aurait à fonctionner en continu plus longtemps, il serait avantageux que le système ait une autonomie supplémentaire. Le nombre d heures optimal a donc été fixé à 16 heures. Le barème pour ce critère est donc le suivant. H 8, H [8,16] (4.10) 8 où H est le nombre d heures d autonomie. La pondération adoptée pour ce critère est de 7% Ergonomie du système L interface du système fourni aux techniciens est évaluée de la même façon qu à la section à la page 9. Le barème de l interface se doit toutefois d être moins restrictif, étant donné le caractère portable que revêtira l équipement des techniciens. Le maximum acceptable d actions est donc 15, et le nombre d actions donnant la note maximale est fixé à x,x [6,15] (4.11) 9 où x est le nombre d actions requises pour une commande. Ce critère obtient une pondération globale de 6% Surface d affichage Pour gérer l activité des unités mobiles, les techniciens ont également besoin d une surface d affichage respectable, nécessaire à la prise en compte de la multitude de données informatiques qui jouent un rôle dans le processus. En faisant l estimation que l affichage des données abrégées d une unité mobile devrait prendre environ 120 cm 2, il est décidé que l affichage simultané d une unité mobile donne une note de zéro, alors que l affichage de 3 en même temps donne une note de 1. Le barème obtenu est donc le suivant : A 120, A [120, 360] (4.12) 240 où A est l aire de la surface d affichage, en cm 2. L importance attribuée à ce critère se chiffre à 3% sur l ensemble du projet. 4.4 Gestion des données et de la communication La pondération pour les critères de cette section est de 14%, car les exigences de cette partie du projet restent plus simples à remplir que la commande à distance comme telle des unités.

18 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Sécurité et confidentialité Il est important de sécuriser le réseau pour éviter que quiconque puisse accéder aux données ou modifier les commandes du système central et des unités locales. C est pourquoi nous avons accordé à ce sous-critère le plus haut pourcentage de sa catégorie, soit 6%. Pour ce critère, une note égale à 0 signifie que la sécurité des données et des communications est à la limite de l acceptabilité, soit une protection simple comme un mot de passe. À l inverse, la note maximale serait attribuée à un système utilisant par exemple le chiffrement de données et la biométrie. Ceci donne le barème suivant : Note attribuée Description [0,75-1] Sécurité excellente [0,5-0,75] Très sécuritaire [0,25-0,5] Moyen [0-0,25] Minimal Tab. 4.1 Barème de la sécurité des données Capacité de stockage Tel qu énoncé par le client, les données du système doivent être archivées aux 20 secondes et être accessibles sur une période minimale d un an, ce qui correspond à une note de 0. La note maximale pour ce critère sera attribuée à une capacité d archivage des données sur trois ans. En effet, il n est pas pertinent de conserver les données sur une période beaucoup plus longue, car cela constituerait une grande quantité de données inutilisées. La formule suivante définit donc le barème pour la capacité de stockage des données : n 1,n [1,3] (4.13) 2 où n est le nombre d années de données pouvant être stockées. Ce critère se voit attribuer une pondération de 3% Temps de communication et d accès aux données Il ne suffit pas d emmagasiner des données longtemps : il faut aussi pouvoir y accéder rapidement. De ce côté-ci, le client demande un délai maximal de 5s pour accéder aux données des unités et pour transmettre des commandes à celles-ci. Ceci est primordial pour assurer la bonne communication à travers le réseau formé par les techniciens, l usine centrale et les unités mobiles. Le barème pour ce critère se basera donc sur le temps de transmission : 5 t, t [0,5] (4.14) 5 où t est le temps requis pour qu une commande ou donnée passe de l émetteur au récepteur. Il s agit là aussi d un critère important dans sa catégorie, pondéré à 5% du projet global.

19 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Coûts La fiabilité et le coût sont deux aspects touchant à l ensemble du projet et se voient donc communément attribuer une pondération de 25%, divisée entre eux à 12 et 13%, respectivement. Ils font partie intégrante des préoccupations du client Coûts d implantation Pour évaluer les coûts d implantation du système, il suffit de considérer le prix d achat du matériel ainsi que les coûts de main-d oeuvre. Une estimation grossière faite à partir de certains éléments potentiels de solution permet la mise en place d une plage de coûts. Cette dernière ne sert qu à établir le barème et elle pourra être réajustée ultérieurement. Ainsi un coût de $ ou moins se voit attribuer la note 1, tandis qu un coût de $ aura la note 0. Le barème est donc le suivant, où C représente le coût en k$ : La pondération pour ce critère correspond à 6% Coûts d opération 250 C, C [100,250] (4.15) 150 Pour l évaluation de ce critère, on considère tous les coûts reliés à l opération et au fonctionnement du système, excepté le salaire des techniciens sur la route. En d autres termes, il s agit du coût requis pour des besoins comme les pièces de rechange, les réparations et les coûts récurrents (abonnements ou autres). En procédant encore une fois par estimation sommaire, le maximum est fixé à 50000$, le coût idéal étant nul. Le barème est donc le suivant, où C représente le coût en k$ : 50 C,C [0,50] (4.16) 50 Ce critère obtient une pondération de 7%, quant à lui. 4.6 Fiabilité Pour évaluer la fiabiltité du système, une démarche se basant sur les probabilités et s inspirant de Billinton et Allan [1] sera utilisée. Plus précisément, suite à l élaboration du diagramme fonctionnel, chaque solution pour chaque sous-problème se verra attribuer une probabilité de défaillance. Le diagramme permettra ensuite d établir les liens logiques entre les solutions et donc de choisir les lois de probabilité adéquates. Par exemple, la probabilité de défaillance équivalente d un ensemble de composantes en série équivaut au produit des probabilités individuelles, tandis qu en parallèle, elle équivaut à la somme. C est ainsi que la fiabilité globale pourra être évaluée. Dans le cas de SysCom, on considère que le système

20 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 13 fait défaut lorsque l une ou l autre des unités ne peut plus être commandée, ou bien lorsque des données deviennent inaccessibles ou perdues. Pour évaluer la probabilité de défaillance d un concept, une estimation sur une base annuelle sera faite à partir de diverses sources d information comme les fiches techniques et les garanties des produits. On rejettera les solutions globales dont la probabilité de défaillance est évaluée à 1% (ou plus) sur un an (ce qui équivaut à plus de 3 jours pour l année). Le barème pour ce critère peut donc être exprimé ainsi : 1 p,p [0,1] (4.17) où p est la probabilité de défaillance (en %) du système complet sur un an. On rappellera que la pondération de ce critère est de 12%. Critères Pond. Barème MIN MAX Système de commande local 25% A 40 Nombre d E/S analogiques 4 à 20 ma 3% 10 A [40,50] 40 D 80 Nombre d E/S digitales 3% 10 D [80,90] 80 b 12 Précision de la conversion (bits) 5% 4 b [12,16] 12 bits 500 t Temps d exécution (ms) 8% 250 t [500,250] 500 ms n 1 Facilité de programmation (nb de langages) 3% 4 n [1,5] 12 x Convivialité de l interface(actions requises) 3% 9 x [5,12] Système de commande central 20% Pourcentage de couverture (%) 8% p 99 p [99,100] 10 x Ergonomie du système (actions requises) 8% 8 x [2,10] Surface d affichage (cm 2 A 1750 ) 4% 1750 A [1750, 3500] Système pour les opérations sur la route 16% H 8 Autonomie énergétique (h) 7% 8 H [8,16] 8 h 15 x Ergonomie du système (actions requises) 6% 9 x [6,15] Surface d affichage (cm 2 A 120 ) 3% 240 A [120, 360] Gestion de données et communication 14% Sécurité et confidentialité 6% voir table 4.1 n 1 Capacité de stockage (années) 3% 2 n [1,3] 1 an 5 t Temps de communication (s) 5% 5 t [0,5] 5s Coûts 13% 250 C Coûts d implantation (k$) 7% 150 C [100,250] 50 C Coûts de maintenance et d opération (k$) 6% 50 C [0,50] Fiabilité (% défaillance) 12% 1 p p [0,1] Tab. 4.2 Synthèse du cahier des charges

21 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 14 Fig. 4.1 Maison de la qualité

22 Chapitre 5 Conceptualisation et analyse de faisabilité Avant de proposer des solutions complètes pour la réalisation du projet SysCom, il est pertinent de diviser le problème en sous-problèmes pour ensuite présenter différents concepts de solution pour chacun de deux-ci. C est ce qui sera effectué dans le présent chapitre, où l analyse fonctionnelle du projet sera suivie de l analyse de faisabilité de chaque sous-concept proposé. 5.1 Diagramme fonctionnel Les exigences du projet ont été mises en relation dans le diagramme fonctionnel visible à la figure 5.1 de la page 16. Celui-ci met en lumière les sous-problèmes suivants : 1. Commander le procédé et interfacer localement : La commande automatique du procédé de traitement est essentielle à la bonne réalisation du projet. Le choix d un système de traitement implique nécessairement l interface lui étant jointe. 2. Interfacer et traiter depuis la route : Il est ici question du dispositif dont les techniciens en déplacement seront équipés pour accomplir leur travail à distance. 3. Interfacer et traiter depuis l usine principale : Un système différent sera évidemment choisi pour que le personnel de l usine centrale puisse accomplir ses fonctions. C est là que seront acheminées les données de l ensemble du système. 4. Localiser les unités et les techniciens : Il s agit ici de choisir un système de positionnement pour ces deux éléments. 5. Assurer la transmission des données : Cette fonction est au coeur du projet ; ainsi, un même concept sera choisi pour assurer la communication entre les différentes parties du projet, des unités mobiles au système d archivage. 6. Sécuriser les données : Évidemment, la sécurisation fait partie intégrante du processus de transmission des données. 15

23 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ Archiver les données : Il faudra évidemment un dispositif servant à conserver les données d opération du projet SysCom. 8. Gérer les données archivées : Les données d opération archivées devront pouvoir être gérées efficacement ; ce sous-problème est d ailleurs directement rattaché à l archivage des données. Fig. 5.1 Diagramme fonctionnel du projet SysCom

24 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ Élaboration des concepts de solution Commander le procédé et interfacer localement Critères de faisabilité On rappellera que le système de commande locale des unités mobiles doit répondre aux critères et aux contraintes suivants, ici regroupés selon les quatre aspects de l analyse de faisabilité : 1. Aspects physiques Le système doit pouvoir commander 80 entrées et 80 sorties digitales (on/off) Le système doit pouvoir commander 40 entrées et 40 sorties analogiques La résolution des convertisseurs doit être supérieure à 12 bits. La vitesse d exécution du programme doit être supérieure à 500ms. Le système proposé doit être fiable 2. Aspects économiques Les coûts totaux d implantation sont limités à $ Les coûts d opération annuels sont limités à 50000$ 3. Aspects temporels Le produits choisis ne doivent pas être en fin de vie. 4. Aspects socio-environnementaux Le langage de programmation du système doit être un langage adapté au techniciens Concepts Automate programmable modulaire DL405 avec écran tactile C-More, de Automation Direct Description générale Une solution évidente pour effectuer le contrôle et l interface locale des unités mobiles est sans doute l utilisation d un automate programmable modulaire. Cette approche est largement répandue dans le milieu industriel et de nombreux produits sont offerts par divers manufacturiers. De tels automates sont constitués de plusieurs modules qui peuvent être assemblés en "sandwich" sur des supports standards utilisés dans les panneaux de contrôle industriels. Typiquement, un automate est constitué d une base pour les modules, d un module d alimentation, d un module de contrôle, de modules de communication, de modules d entrées et sorties et parfois de certains autres modules spéciaux. Souvent, les manufacturiers offrent aussi des interfaces homme-machine (HMI) qui peuvent facilement être utilisées avec les autres produits qu ils proposent. En somme, avec l approche modulaire, la solution peut facilement être adaptée aux besoins spécifiques d un système précis. De plus, l évolution du système ainsi que la maintenance sont facilitées.

25 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 18 Particularités du DL405 Pour ce concept, on s arrête sur l automate DL405 combiné à l écran tactile couleur C-More de 8po, tous deux fournis par la compagnie Automation Direct. Basée en Géorgie aux États-Unis, cette entreprise oeuvre dans le domaine de l automatisation depuis 1994 et s est démarquée au cours des années 2000 avec son support à la clientèle de même qu avec des prix compétitifs. En choisissant les modules adéquats, toutes les entrées et sorties peuvent être traitées. De plus, la communication avec l écran C-More et avec les autres éléments du système SysCom serait possible. On note aussi que le module principal de traitement (CPU) peut traiter 1kilo-octet de logique booléenne en 5ms, ce qui répond au critère de rapidité SysCom. Pour la régulation de procédé, le CPU peut traiter simultanément 16 boucles PID et des modules de calcul supplémentaires peuvent être ajoutés si cela est requis. La résolution des convertisseurs analogiques est de 12 bits, ce qui répond au critère de précision. Programmation et mise en place Enfin, le logiciel de programmation du DL405 utilise le langage "Ladder" bien connu des techniciens et la programmation de l écran tactile est faite à haut niveau avec un logiciel adapté. Ensemble, ces deux logiciels de programmation valent environ 600$, ce qui est raisonnable pour le développement. Finalement, selon les prix affichés par le manufacturier, on peut s attendre à un coût d environ 4000$ par unité mobile, dépendamment du nombre et du type de modules choisis. Décision : Retenu mais Ce système remplit pleinement les critères du projet. Par contre, il faudrait peut-être prévoir des modules supplémentaires pour les calculs liés aux boucles de régulation. Références :[14] [16] [15] [17] Automate programmable modulaire avec redondance CS1D-Duplex combiné à écran tactile NS8, de Omron Caractéristiques Ce système est très similaire à celui présenté précédemment. En effet, en choisissant les modules adéquats, il est possible de satisfaire toutes les exigences du projet en ce qui concerne la communication ainsi que le nombre et la précision des entrées/sorties. La vitesse d exécution est de l ordre de 2 à 4 us par instruction "Ladder", ce qui est largement supérieur aux besoins de SysCom. De plus, l écran tactile NS8 (8po en couleur), permet lui aussi une interface usager conviviale. Particularité La principale différence entre ce système et le précédent vient du fait qu il est possible d ajouter de la redondance au système en dupliquant les modules désirés. Ainsi, en cas d erreur d exécution ou de panne, les modules en double prennent la relève. Cela permet d effectuer le remplacement des composantes défectueuses sans impact sur le procédé. Bref, c est un avantage majeur pour assurer la fiabilité du système et cela facilite la maintenance en laissant une marge de manoeuvre temporelle aux techniciens.

26 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 19 Programmation et mise en place Ensuite, en ce qui concerne la programmation, Omron fournit une suite logicielle, CX-One, au coût d environ 2500$. Cette dernière permet de programmer facilement l automate en langage "Ladder" et l écran tactile avec des outils de haut niveau. Cependant,le coût total des composantes est beaucoup plus élevé. À partir des prix affichés chez certains fournisseurs, on peut estimer un coût de 10000$ à 15000$ par unité mobile pour les composantes. Décision : Retenu Bien qu une telle solution soit potentiellement plus chère, une grande importance est accordée au contrôle des unités mobiles dans le projet SysCom. Il est donc impératif que ce système soit très fiable et d une grande qualité. Références :[18] [19] [20] [21] [22] PC industriel APAX-5570 avec périphériques standards Description générale Une autre alternative consiste à utiliser ce que l on appelle un PC industriel. Généralement, ces derniers utilisent des technologies similaires à celles utilisées dans les ordinateurs de bureau standards, ce qui leur confère une grande puissance et une grande versatilité en comparaison avec les automates programmables (PLC). Leur construction est aussi plus robuste que les ordinateurs personnels et leur géométrie répond habituellement aux standards industriels pour la fixation et les branchements. La plupart du temps, il est possible d élargir les possibilités en ajoutant des modules d entrées et de sorties au PC. C est d ailleurs le cas du PC industriel APAX-5570 offert par la compagnie Advantec qui peut contrôler toutes les entrées et sorties nécessaires à une unité mobile. Comme la majorité des PC industriels, les applications pour le contrôle des entrées et sorties peuvent être développées avec les outils de développement PC habituels tels que les librairies de C/C++, dans l environnement Windows. Particularité et mise en place Le PC APAX-5570 se distingue de plusieurs autres produits sur le marché, car les modules d entrées/sorties peuvent aussi être programmés avec les langages d automates conventionnels selon la norme IEC avec l outil de developpement KW Multiprog. De plus, l APAX-5570 offre la possibilité d appliquer la redondance au système en dupliquant le PC (i.e. deux PC pour traiter les modules d entrées/sorites). Pour l interface, le PC est équipé de ports USB et d un port VGA ; on peut ainsi interfacer facilement et à peu de frais en utilisant des périphériques pour ordinateur conventionnels (écran, souris et clavier). Toujours selon les prix fournis sur le site du manufacturier, le coût à l achat du matériel serait d environ 10000$ par unité mobile. Décision : Retenu Cette solution répond à toutes les exigences minimales du projet. De plus elle offre une plus grande souplesse au niveau du développement logiciel, avec des 1 Cette norme définit cinq langages de programmation à utiliser pour les contrôleurs programmables.

27 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 20 outils complets et puissant comme les librairies du C/C++ ainsi que des outils adaptés aux techniciens et répandus en industrie selon la norme IEC Références : [23] [24] [25] [26] Système de contrôle distribué Centum VP de Yokogawa Description générale Le dernier concept consiste à utiliser un système de contrôle distribué (SCD).De façon générale, un tel système fait référence à un système dont les contrôleurs ne sont pas situés à un endroit centralisé, mais sont plutôt distants et reliés entre eux par un réseau centralisé et une base de données commune. En fait, un tel système, simplement par sa définition, correspond presque à l ensemble de ce qui doit être élaboré dans le cadre du projet SysCom. En effet, les solutions de SCD proposées par plusieurs entreprises incluent généralement le réseautage, les contrôleurs d entrées/sorties, les interfaces homme-machine et même la gestion de base de données. Caractéristiques du système Centum VP Le système Centum VP est offert par l entreprise Yokogawa, réputée pour ses produits de qualité et le support à long terme offert à ses clients. Évidemment, bien que présenté dans la présente section, ce système couvre plusieurs autres foncions du diagramme foncionnel présenté à la page 16. En fait,pour en faire une solution globale, il suffirait de le combiner à un système de positionnement ainsi qu à un système de transmission de données sans fil. En effet le systeme Centum VP utilise un protocole propriétaire, VNetIP, qui est compatible avec la plupart des réseaux standards. Certaines caractéristique du système sont résumées dans le tableau 5.1. Caratéristiques Nombre d E/S analogiques Modules de 16 canaux chacun. Résolution convertisseurs 12 bits. Nombre d E/S digitales Modules de 32 canuaux chacun Interface locale Plusieurs modèles, adaptable selon les besoins Puissance des contrôleurs Processeur VR5432 (133 MHz) Interface centrale PC d usage général sous Windows, moniteurs multiples Interface à distance Ordinateur portable d usage général sous Windows Programmation Suite logicielle pour l ensemble du système Fiabilité Le système supporte la duplication Tab. 5.1 Caractéristiques du système CentumVP Décision : Retenu Ce concept répond aux exigences minimales du projet et l uniformité des composantes facilite la mise en place. De plus, le temps de développement est réduit, car la majorité des outils logiciels requis sont regroupés et intercompatibles. En contrepartie,

28 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 21 le coût initial pour l implentation d un tel système est généralement un peu plus élevé pour des projets de l envergure de SysCom (i.e. moins de 5000 points de connexion au total). De plus, ce concept impose un seul et unique fournisseur pour la quasi totalité du projet, ce qui crée une sorte de dépendance, certe, mais cela simplifie grandement l approvisionnement et le support. Références : [47] [48] [50] [51] Concept Aspects de l analyse Physiques Économiques Temporels Socio-envir. Décision DL405 Oui mais Oui Oui Oui Retenu mais C1SD Duplex Oui Oui Oui Oui Retenu APAX 5570 Oui Oui Oui Oui Retenu CentumVP Oui Oui Oui Oui Retenu Tab. 5.2 Analyse de faisabilité pour le système de commande local Interfacer et traiter depuis la route Critères de faisabilité L équipement qui est donné aux techniciens doit satisfaire à nos exigences en se basant sur les critères suivants : 1. Aspects physiques L autonomie minimale est de 8h. L interface doit permettre d accéder à l information désirée le plus rapidement possible, avec un maximum de 15 actions. Le système doit présenter une surface d affichage d environ 120 cm 2 au minimum. 2. Aspects économiques On rappellera que les coûts totaux d implantation et d opération sont respectivement limités à $ et à 50000$. L impact du choix de cet équipement risque toutefois d être mineur sur ceux-ci Concepts Téléphone mobile Description Les téléphones portables sont de plus en plus petits et de plus en plus performants. Plusieurs compagnies offrent un téléphone intelligent pour un prix allant de 150$ à 250$. Le modèle choisi en exemple est le Galaxy Gio de Samsung. Avec une autonomie de 11 heures en marche et d environ 25 jours en mode veille, il dépasse de loin le minimum exigé. Le processeur de 800MHz et la vitesse de transfert allant jusqu à 7,2 Mbps devraient suffire

29 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 22 aux besoins du technicien. Plusieurs compagnies offrent même un système de positionnement intégré. Le problème avec ces appareils, c est évidemment l ergonomie. L écran, n étant que de 3.2 pouces, n est pas très pratique. Bien qu on puisse avoir accès à l information désirée en moins de 15 actions, il devient pénible de travailler des journées entières sur un tel appareil. Décision : Rejeté Un téléphone à la base n est tout simplement pas conçu pour ça. Bien qu il puisse physiquement faire le travail demandé, le concept basé sur un téléphone intelligent a été rejeté pour un problème évident de convivialité. Références : [9] [10] Tablette électronique Description Les tablettes électroniques sont sur le marché depuis seulement quelques années et elles démontrent déjà beaucoup de potentiel. La Galaxy Tab 10.1 de Samsung sera étudiée ici. Partant à 400$, ces tablettes ont une autonomie d environ 10 heures d utilisation. Avec des processeurs roulant à plus de 1GHz et une vitesse de transfert allant jusqu à 20 Mbps, la performance n est pas un problème. Le point fort de ces gadgets est qu ils combinent bien portabilité et utilité. L écran de 10 pouces est un compromis raisonnable pour réduire la taille et le poids. Tout comme les téléphones mobiles, il est facile d inclure un système de positionnement sur de telles tablettes. Décision : Retenun Ce concept respecte toutes les contraintes, autant pour l autonomie que pour les performances. L ergonomie d une telle tablette n est peut-être pas la meilleure qui soit, mais elle est tout de même acceptable pour un environnement de travail. Références : [11] [12] Ordinateur portable Description En ce qui concerne les ordinateurs portables, ce n est pas le choix qui manque. Avec des composants de la gamme du processeur Intel Core i5, c est-à-dire des bons composants durables sans toutefois être trop puissants pour rien, il est possible de faire une machine sur mesure aux alentours de 1000$. Contrairement aux autres concepts qui doivent se fier à Android (ou un autre système d exploitation pour mobile), le client a ici plus de liberté en termes de logiciels et de systèmes d exploitation. Une mémoire vive de 4 Go est un bon standard, quoiqu il peut être augmenté si nécessaire pour une augmentation modeste du prix. La polyvalence d un ordinateur portable lui assure d être compatible avec d éventuels modules ou pièces d équipement qui viendraient s ajouter à l arsenal des techniciens. Le point majeur où ce concept se démarque des autres est la convivialité. Un écran de 16 pouces et un clavier complet sont les caractéristiques d une interface de qualité. Enfin, notons que cette solution est celle qui serait employée avec le système CentumVP décrit à la page 20

30 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 23 Décision : Retenu Malgré le prix plus élevé, ce concept offre beaucoup plus de possibilités pour trouver l appareil répondant le mieux aux besoins des techniciens. En plus de répondre aux contraintes, il laisse place à la possibilité de pouvoir être modifié si nécessaire une fois le projet terminé. Références : [13] Concept Aspects de l analyse Physiques Économiques Temporels Socio-envir. Décision Téléphone mobile Non Oui N/A N/A Rejeté Tablette électronique Oui Oui N/A N/A Retenu Ordinateur portable Oui Oui N/A N/A Retenu Tab. 5.3 Analyse de faisabilité pour l équipement des techniciens Traiter et interfacer depuis l usine principale Critères de faisabilité L équipement qui est à l usine principale doit satisfaire à nos exigences en se basant sur les critères suivants : 1. Aspects physiques Le système doit présenter une surface d affichage d au moins 1750 cm 2 Le système doit supporter le outils logiciels standards qui serviront éventuellement au développement de l interface de contrôle.(i.e. C/C++, Java, Python, MySQL, etc) L interface doit permettre permettre l accomplissement d une tâche dans un maximum de 10 actions. Le système proposé se doit d être fiable. Le client désire au minimum trois postes utilisateur pour le contrôle central. 2. Aspects économiques On rappellera que les coûts totaux d implantation et d opération sont respectivement limités à $ et à 50000$. L impact du choix du système de commande central pourrait influencer ceux-ci de manière non négligeable Concepts Ordinateur central partagé avec Système U170 pour usagers multiples, de NComputing Description De nos jours, la puissance des ordinateurs est souvent sous-utilisée. Pour maximiser l utilisation de ces derniers, plusieurs entreprises proposent des solutions afin que

31 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 24 de multiples usagers puissent utiliser un ordinateur simultanément. Cette approche est couramment employée dans les écoles, les bureaux et les cybercafés, par exemple. Cela permet de réduire le coût d achat de matériel et d optimiser les investissements. Le système retenu est celui de la compagnie NComputing, plus précisément le U170, qui permet le partage d un ordinateur entre dix usagers au maximum via USB à un très faible faible coût, soit environ 150$ par module. Ce système est très simple à utiliser et à implanter. Il suffit de relier les périphériques (moniteur, clavier et souris) à un module U170 pour chaque usager. Tous les modules sont ensuite reliés à l ordinateur hôte via un hub USB, tel qu illustré sur la figure suivante : Fig. 5.2 Branchement avec les modules U170 Chaque usager a ainsi accès aux logiciels et aux périphériques de l hôte. Ensuite, pour le choix de l ordinateur hôte, il faut tenir compte du nombre d usagers. Dans le cas de SysCom, le client désire avoir au minimum trois postes pour le contrôle central. Ainsi, d après les recommandations de la compagnie NComputing, le PC hôte devrait avoir au minimum les caractéristiques suivantes : Processeur à coeur double ou quadruple. Au minimum 3 gigabits de mémoire vive. Ainsi, pour 1000$ envirion le PC Optiplex 990 offert chez Dell avec un prossesseur i7 de Intel et 4 gigabits de mémoire vive est parfaitement adapté à cette application. Pour les périphériques, ils peuvent être choisis en fonction des préfences des usagers sans grande influence sur le projet. La seule restriction est la résolution des écrans usagers qui est limitée à 1600x1200pixels. Par exemple,pour 200$ environ, le moniteur Dell 2007FP 20.1po fait parfaitement l affaire. En somme, les coûts matériels pour cette partie du projet seraient relativement peu élevés avec un total avoisinant les 3500$. À cela, il faut ajouter les coût liés au developpement logiciel de l interface de contrôle centralisé. Décision : Rejeté En utilisant un seul ordinateur hôte, la fiabilité est grandement compromise en cas de panne ou de mise à jour à effectuer. Une solution simple pour pallier à ce problème serait d utiliser deux ordinateurs hôtes avec chacun un usager, pour un total de quatre postes. En cas de bris, un poste usager peut être rapidement supporté par l autre hôte. Cela permet aussi l ajout éventuel de postes usager à peu de frais. Cependant, un problème