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 02 Oméga Consultants matricule nom signature Maxime Carbonneau-Leclerc Patrice Diouf Alex Gervais Talla Kane Véronique Migneault Assane Sene Jean-François Thériault Université Laval 13 avril 2012

2 Historique des versions version date description 25 janvier 2012 création du document V0 3 février 2012 rapport version 0 V1 17 février 2012 rapport version 1 V2 16 mars 2012 rapport version 2 VF 13 avril 2012 rapport version finale

3 Table des matières Table des figures Liste des tableaux v vi 1 Introduction 1 2 Description 2 3 Besoins et objectifs Identification des besoins Assurer le stockage des données Maximiser la sécurité de l information Faciliter l automatisation des commandes Optimiser l entretien et les coûts Conclusion Hiérarchisation des objectifs Cahier des charges Stockage des données Intégrité des données Intrusions informatiques Fréquence d archivage Durée de stockage des données Échange d information Taux d envoi des données Taux de réception des données Intégrité de l information Précision du codage des entrées/sorties Confidentialité des données Commande automatisée Précision du système de régulation Taux de correction du système de régulation Facilité d utilisation de l interface i

4 TABLE DES MATIÈRES ii 4.4 Entretien et coût Rafraîchissement du système de géolocalisation Précision du système de géolocalisation Fiabilité du produit Facilité de configuration et de programmation Coût de production et d entretien Maison de la qualité Conceptualisation et analyse de faisabilité Diagramme fonctionnel Élaboration des concepts de solution Régulation PLC + SCADA DCS + Pi System PC industriel + Historian Géolocalisation Localisation par GPS (satellite) Localisation par GSM Localisation par Wi-Fi Localisation avec approche hybride Stockage Disque dur externe Mémoire flash Stockage à distance Sécuriser les données Chiffrement symétrique AES Chiffrement symétrique AES et Port Knocking Chiffrement hybride AES-RSA Transfert de données Réseau satellite VSAT Réseau cellulaire GSM Réseau 3G/4G Réseau micro-ondes (WiMAX) Traitement du serveur MySQL Oracle Database Microsoft SQL Server Accès aux données sur interface locale Ordinateur de bureau Ordinateur portable Panneau de Commandes Accès aux données sur module portable à distance Téléphone intelligent

5 TABLE DES MATIÈRES iii Tablette électronique Mini-ordinateur portable Étude préliminaire Plan de développement Élaboration et évaluation des concepts de solution Concept "performance" Régulation : DCS + Pi System Géolocalisation : Hybride Stockage : Mémoire flash Chiffrement : Symétrique Transfert : 3G/4G Traitement du serveur : Oracle Interface locale : Ordinateur de bureau Interface mobile : Tablette électronique Évaluation de la fiabilité générale du concept Concept "économique" Régulation : PLC + SCADA Géolocalisation : GPS Stockage : Disque dur externe Chiffrement : Hybride Transfert : GSM Traitement du serveur : MySQL Interface locale : Ordinateur portable Interface mobile : Mini-ordinateur portable Évaluation de la fiabilité générale du concept Concept "fiabilité" Régulation : PC industriel + Historian Géolocalisation : Hybride Stockage : À distance Chiffrement : Chiffrement symétrique AES et Port Knocking Transfert : 3G/4G Traitement du serveur : Microsoft SQL Interface locale : Panneau de commande Interface mobile : Téléphone intelligent Évaluation de la fiabilité générale du concept Synthèse des résultats Concept retenu Matrice de décision Analyse de la matrice décisionnelle et prise de décision Description du concept choisi

6 TABLE DES MATIÈRES iv 8 Conclusion 60 Annexe 61 Bibliographie 64

7 Table des figures 3.1 Diagramme de hiérarchisation des objectifs Maison de la qualité Diagramme fonctionnel Diagramme physique, concept «performance» Diagramme physique, concept «économique» Diagramme physique, concept «fiabilité» v

8 Liste des tableaux 4.1 Cahier des charges Faisabilité des concepts d acquisition des données et de régulation Faisabilité des concepts de géolocalisation Faisabilité des concepts de stockage des données Faisabilité des concepts de sécurisation des données Faisabilité des concepts de tranfert des données Faisabilité des concepts de base de données Faisabilité des concepts d interface locale Faisabilité des concepts d interface portable Tableau synthèse des résultats Matrice décisionnelle vi

9 Chapitre 1 Introduction Les préoccupations environnementales sont de plus en plus présentes dans notre société. En effet, étant donné le réchauffement climatique, des actions comme la gestion des déchets deviennent d une importance fondamentale. De ce fait, les résidus produits par les entreprises dans les secteurs du traitement des eaux usées ou de l agroalimentaire, comme les boues organiques, doivent être traités dans le but d éliminer les composés pathogènes. Ainsi, dans son entreprise située à Québec, la compagnie ÉcoloVal traite et valorise les boues organiques en les transformant en engrais ou en composé utilisé dans la production de ciment. Cependant, cette société désire minimiser la quantité des boues transportées jusqu à son usine en les traitant sur place. Dans cette optique, la firme Oméga Consultants a été mandatée afin de concevoir un système qui permet de commander et d opérer localement et à distance des unités mobiles. Ce système doit aussi permettre la communication en temps réel entre les unités à distance et la centrale. Les besoins du client seront traités dans ce document afin d élaborer un cahier de charges. Ensuite, une analyse des différents concepts sera effectué en vue de déterminer leur faisabilité. Finalement, les solutions seront détaillées de façon à déterminer la meilleure par rapport aux besoins du client. 1

10 Chapitre 2 Description L équipe d ingénieurs Oméga Consultants a été mandatée pour concevoir un système de communication permettant de relier dix mini-usines de traitement des boues organiques à une unité de gestion centralisée. Ce mandat, qui constitue en la première phase de développement du système, consiste à effectuer une étude préliminaire et à analyser la faisabilité des concepts de solutions retenus. Ce système de commande devra être en mesure d assurer la lecture des signaux provenant des usines afin de permettre aux employés d opérer les équipements de chaque unité. Le système doit permettre l opération locale et à distance des unités en transmettant des données en temps réel. Les techniciens ainsi que le centre de gestion pourront, à travers une interface, avoir accès à l information sur l état actuel des opérations sur chaque usine, ainsi que les données antérieures. Toutes les informations recueillies devront être stockées de façon sécuritaire et archivées fréquemment pour minimiser les pertes de données. La position des unités mobiles devra être transmise en continu. De plus, les techniciens doivent être en mesure de recevoir les demandes d intervention, de les confirmer et d émettre un rapport suite aux interventions. Enfin, la gestion des activités d entretien, le positionnement en tout temps des cinq techniciens, ainsi que l acheminement des demandes d intervention à ceux-ci, doivent être assurée par le système. 2

11 Chapitre 3 Besoins et objectifs 3.1 Identification des besoins Le mandat proposé par la compagnie ÉcoloVal découle de différents besoins. Le rôle de la firme Oméga Consultants est d offrir une solution qui comblera ces besoins le mieux possible. Dans cette optique, il est important de traduire ces besoins en objectifs afin d évaluer de manière impartiale la marge de différence entre ce que le client veut et ce que la solution proposée offre. La description ci-dessus (Voir chapitre 2) nous donne une bonne idée des principaux besoins : 1. un moyen de communiquer certaines informations à distance ; (a) La transmission des données et des commandes à distances en moins de 5 s ; (b) La géolocalisation des techniciens et des mini-usines en temps réel ; 2. un procédé permettant d archiver sécuritairement les données ; (a) Une intégrité maximale des données lors de l archivage ; (b) Un fréquence d archivage inférieure à 20s ; (c) La possibilité de converver les données archivées pendant un an. 3. un système permettant l utilisation facile et la précision des mini-usines ; (a) Au moins 40 entrées analogiques ; (b) Au moins 80 entrées discrètes ; (c) Un langage de programmation ne nécéssitant peu ou pas de connaissances en programmation ; (d) Une logique de commande exécutée à toutes les 500ms ou moins ; (e) Une conversion des données analogiques en données numériques sur au moins 12 bits. 4. Un système permettant l entretien facile des mini-usines (a) La gestion des demandes d intervention en temps réel ; (b) Une interface homme-machine En fonction des besoins ci-dessus, les objectifs seront détaillés en liste. Ces listes seront ensuite regroupées dans un diagramme pour montrer leur hiérarchie. 3

12 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS Assurer le stockage des données 1. Minimiser les pertes de données 2. Contrôler les accès aux données du système 3. Maximiser la fréquence d archivage 4. Conserver les données à long terme D abord, le client a besoin d un système de stockage de données efficace et sécuritaire. Ce système ne doit pas subir de perte lors de son activité puisque le client doit garder en sa possession le plus de données utilisables possibles. Aussi, afin d éviter que n importe qui ait accès aux informations que la compagnie possède, ÉcoloVal demande que le projet SysCom limite l accès aux données à ceux qui en ont la permission Maximiser la sécurité de l information 1. Optimiser le taux de envoi des données 2. Optimiser le taux de réception des données 3. Assurer l intégrité des informations transmises 4. Assurer la précision du codage des entrées/sorties analogiques du système 5. Renforcer la confidentialité des données L entreprise ÉcoloVal a besoin d envoyer des données comme des commandes pour les miniusines ou de l information saisie par les capteurs. Dans une optique d efficacité, elle désire maximiser le taux d envoi et de réception de ces informations. Ces informations transmises devront évidemment subir le moins de modifications possibles lors du transfert afin d assurer la précision de la commande des mini-usines et de l information stockée ÉcoloVal veut aussi maximiser la précision des données saisies par les capteurs analogiques dans le but de d obtenir une commande le plus près de l action désirée. La compagnie veut aussi rendre ses données les plus confidentielles possible Faciliter l automatisation des commandes 1. Assurer la précision du système de régulation 2. Optimiser la vitesse de la boucle de régulation 3. Faciliter l utilisation de l interface homme-machine Le système doit être doté d une certaine indépendance de sorte qu après avoir entré une commande, le système respecte cette commande malgré les éléments extérieurs. Bref, un système de régulation doit constamment être en branle afin d assurer la précision de l action, peu importe la situation. En outre, les employés travailleront à distance à l aide d une interface graphique qui devra être utilisable avec efficacité et aisance.

13 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS Optimiser l entretien et les coûts 1. Contacter rapidement les techniciens en cas de problème 2. Optimiser le taux de rafraîchissement du système de géolocalisation 3. Maximiser la précision du système de géolocalisation 4. Maximiser la fiabilité 5. Rendre la configuration et la programmation facile 6. Minimiser les coûts Afin de faciliter l entretien, le client désire avoir un système contactant, en cas d erreur, le technicien le plus près dans un délai de temps très court. Le client désire aussi un système de géolocalisation précis et possédant un taux de rafraîchissement élevé afin d être en mesure de contacter les techniciens les plus près en cas de problèmes techniques. De cette manière, ceux-ci pourront corriger rapidement la situation et limiter les moments d inactivité. Dans la même optique, le système devra être fiable, c est-à-dire robuste et réparable facilement. La compagnie ÉcoloVal veut cependant avoir une solution à tous ces besoins à un prix avantageux Conclusion En résumé, le but est de répondre le mieux possible aux appels du client en présentant un système adapté à ses besoins. Pour ce faire, la firme Oméga Consultants établira des barèmes par rapport à chacun des objectifs qui permettront de quantifier l efficacité de chaque solution Hiérarchisation des objectifs

14 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS 6 Assurer le stockage des données Assurer l échange d information Assurer la commande automatisée Assurer l entretien et minimiser les coûts Minimiser les pertes de données Contrôler les accès aux données du système Maximiser la fréquence d archivage Conserver les donnés à long terme Optimiser le taux d envoi des données Optimiser le taux de réception des données Assurer l intégrité de l information transmise Assurer la précision du codage des entrées/sorties analogiques du système Réduire la marge d erreur entre la requête et l exécution de l action Optimiser la vitesse de la boucle de régulation Faciliter l utilisation de l interface hommemachine Optimiser le taux de rafraichissement du système de géolocalisation Maximiser la fiabilité Maximiser la précision du système de géolocalisation Minimiser les coûts Renforcer la confidentialité des données Fig. 3.1 Diagramme de hiérarchisation des objectifs

15 Chapitre 4 Cahier des charges En premier lieu, il est important d établir une méthode qui permettra de pouvoir évaluer chaque solution par rapport à différents critères. La pondération des critères principaux est la suivante : Stockage des données (20%) ; Échange d information (29%) ; Commande automatisée (25%) ; Entretien et coût (26%). En revenant au but premier du système de commande à distance "SysCom", il a été possible d établir la force de chacun des critères. La première facette de ce projet est le stockage des données. Dans une application de commande à distance, il est primordial d avoir une bonne gestion des données, d en assurer l intégrité et la sécurité. C est pourquoi une pondération de 20% a été accordée à ce critère. Une autre composante qui joue un rôle majeur dans un système de commande est l échange d information. Afin de pouvoir opérer le système à distance, les données recueillies doivent être acheminées vers une gestion centralisée pour y être traitées. Ce processus doit être fait rapidement, sécuritairement et en continu. L échange d information est donc capital pour ce projet, ainsi un pourcentage de 34% a été accordé à ce critère. Le troisième critère est la commande automatisée en tant que telle. Une fois les données recueillies, le système devra traiter ces données selon des algorithmes prédéfinis pour assurer le bon fonctionnement des usines. Cette composante comprend donc tous les mécanismes de régulation, ainsi que l interface qui permet de connaître l état du système en temps réel et de le modifier. Une pondération de 20% a été accordée à cette partie du système. Finalement, l entretien et les coûts font partie du dernier critère. Pondéré à 26%, ce critère considère deux volets. Une partie concerne la gestion de l entretien, ainsi que la fiabilité du système. L autre considère le coût global du projet. Tous ces critères ont été résumés dans le tableau 4.1 qui suit et détaillés afin d établir le taux de satisfaction par rapport à l objectif correspondant. 7

16 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 8 Tab. 4.1 Cahier des charges Critères d évaluation Pond. Barème Min Max Stockage des données 20% Intégrité des données 8% p Intrusion informatique 2% Barème qualitatif Fréquence d archivage 3% e (1 t 4 ) 1 20 Hz Durée de stockage des données 7% t an Échange d information 29% Taux d envoi des données 6% d kb/s Taux de réception des données 6% d kb/s Intégrité de l information 10% Précision du codage des entrées/sorties 5 p 5 5% b bits Confidentialité des données 2% Barème qualitatif Commande automatisée 25% 4.3.1Précision du système de régulation 10% Barème qualitatif Taux de correction du système de régulation 10% f Hz Facilité d utilisation de l interface 5% Barème qualitatif Entretien et coût 25% Taux de rafraîchissement du système de géolocalisation Précision du système de géolocalisation 3% 120 2t 119 3% e ( r2 100 ) Fiabilité du produit 8% Barème qualitatif Facilité de configuration et de programmation 4% Barème qualitatif Coût de production et d entretien 5% c 50000

17 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Stockage des données Intégrité des données Le stockage des données est un élément indispensable dans le projet, car il permet la sauvegarde des données concernant les activités de l entreprise, notamment en cas de défaillance du système informatique. Il existe toujours un certain risque de perte des données lorsqu elles sont stockées sur un disque dur. La mesure utilisée afin de connaître la possibilité de bris d un disque dur est le MTBF 1. Généralement, les valeurs moyennes varient de 1 à 1.5 millions d heures d utilisation avant d avoir à changer le support de stockage dû à une faute mécanique. Annuellement, cela implique qu il y a environ de 1% à 4% de chances que le disque devienne non-fonctionnel. Dans cette optique, le barème suivant a été mis en place : p + 1, p [0; 4] 4 où p représente le pourcentage de chance qu un support de données subisse un bris par année. Compte tenu de l importance de l intégrité des données, un poids de 8% est accordé au critère de l intégrité des données Intrusions informatiques Afin de protéger les données stockées contre les manipulations indésirées, il est nécessaire d empêcher le mieux possible les intrusions informatiques. Le système devra donc être conçu de manière à rendre l accès aux données long et pénible. De cette manière, les intrus seront découragés ou du moins ralentis. D ailleurs, ce critère a une pondération de 2%. Ce pourcentage octroyé est suffisant par rapport à la sécurité du système. Voici un tableau qualitatif permettant d évaluer l efficacité des mesures mises en place afin de limiter les intrusions informatiques : L accès aux données est long et difficile 1 L accès aux données est long, mais facile 0,75 L accès aux données est rapide, mais difficile 0,25 L accès aux données est rapide et facile Fréquence d archivage La valeur de la fréquence à laquelle les données sont archivées dans le système est un atout important afin d éviter toute perte de données. Il est donc fondamental de choisir une solution respectant le barème, à savoir : 1 MTBF signifie «Mean Time Beetween Failure.» e (1 t 4 ), t [4; 20]

18 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 10 où t correspond à la période d archivage en secondes. Lorsque la période est de quatre secondes, on a le taux d archivage maximal des données archivées aux quatre secondes. Ainsi, le choix d une courbe décroissante et exponentielle s explique par le fait qu il faut pénaliser particulièrement l archivage du système si la période maximale est élevée. À la demande du client, une période d archivage dépassant vingt secondes sera rejetée systématiquement. Le poids de ce critère est de 3% qui est justifié par l un des besoins du client Durée de stockage des données La compagnie ÉcoloVal désire stocker ses données. De cette manière, elle pourra avoir accès à des informations qui peuvent être importantes pour l entretien de ses unités mobiles. Bref, le système doit être en mesure d entreposer et de conserver les données de stockage de façon intégrale et à long terme. À cet effet, le client désire avoir accès à ses données pour une durée minimale d un an. En dessous de cette valeur, la solution proposée sera rejetée. Ainsi, la cote attribuée est la suivante : t 1, t [1; 5] 4 où t est le temps en ans. Si la valeur de t est supérieure à cinq ans, la cote de 1 lui sera automatiquement attribuée. La durée de stockage en mémoire a une pondération relative de 7% étant donnée l importance de ces données. 4.2 Échange d information Taux d envoi des données Afin d augmenter l efficacité des activités de l entreprise, il est nécessaire de maximiser le taux auquel les données sont transmises. Il a été déterminé que pour répondre à la contrainte du client qui demande que les données soient transmises chaque 5 secondes, il fallait un débit d envoi minimal de 40 kb/s. Le barème a donc été établi ainsi : d 40, d [40; 400] 360 où d correspond au débit d envoi des données en kb/s. Les solutions ayant un débit plus grand que 400 kb/s auront automatiquement la cote 1. Le poids de ce critère est de 6%, car c est un critère très important pour le bon fonctionnement du système Taux de réception des données Il est tout aussi important de recevoir les données à un taux élevé. Il a été déterminé que pour répondre à la contrainte du client qui demande que les données soient rafraîchies chaque 5 secondes, il fallait un débit de réception minimal de 40 kb/s. En d autres termes, il faut

19 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 11 augmenter la fréquence à laquelle ces informations sont recueillies. L expression ci-dessous correspond au barème fixé pour ce critère : d 40, d [40; 1040] 1000 où d correspond au débit d envoi des données en kb/s. Les solutions ayant un débit plus grand que 1040 kb/s auront automatiquement la cote 1. Le poids de ce critère est de 6% qui est le même que le taux d envoi, car tout les deux sont équivalents pour ce projet Intégrité de l information Il est évident que du moment où les données sont envoyées jusqu au moment où elles sont reçues, celles-ci doivent subir le moins de modifications possible. En d autres mots, il ne faut pas que des facteurs externes lors du transfert faussent l information originale, soit en transformant les données ou en les omettant. À cause de son importance, ce critère s est vu attribuer la pondération de 10%. Ce critère sera quantifié à l aide de l inverse du Signalto-Noise Ratio (SNR) ce qui correspondant à la valeur du bruit sur le signal divisé par la valeur du signal. Cette mesure est très pertinente puisque plus cette valeur sera élevée, plus les chances de mal interpréter un bit sera élevé. Le barème permettant de mesurer ce critère est le suivant : 5 p, p [0; 5] 5 où p est le pourcentage correspondant à l inverse du SNR. Si ce pourcentage dépasse 5%, ce critère obtiendra automatiquement la valeur 0. La valeur d appréciation de ce critère diminue de manière continue entre ces deux points Précision du codage des entrées/sorties La précision de la conversion est un élément important du système puisqu elle permet la réception de données valides au personnel du centre de gestion et aux techniciens. De cette manière, les employés sont beaucoup plus aptes à contrôler les mini-usines à distance et à être en mesure de juger de leur état. La précision de la conversion dépend de deux paramètres : d abord, la conversion doit être faite sur un certain nombre de bits. Le client est très spécifique sur ce point, le convertisseur doit au moins coder l information sur 12 bits. Ensuite, la conversion doit se faire fréquemment. Afin de bien être en mesure de faire le suivi du système, il a été déterminé que la fréquence d échantillonnage doit correspondre au taux de régulation de la boucle. Ce point sera donc évalué dans la fréquence de régulation (voir 4.3.2). Ainsi, une pondération de 5% est obtenue de façon justifiable compte tenu de la qualité des données qui doivent être traitées. Le barème est le suivant : b 12, b [12; 16] 4 où b est le nombre de bits du convertisseur. Lorsque le nombre de bits est plus élevé que 16, la cote du critère est de 1. Si la quantité de bits est égal ou inférieur à 12, la cote attribuée sera automatiquement 0.

20 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Confidentialité des données À la demande du client, les données doivent demeurer confidentielles. En d autres termes, les données transmises par le système devront pouvoir être utilisées seulement par les employés de la compagnie et donc être opaques de l extérieur. Ce critère est relativement important au niveau de l espionnage industriel, mais moins important en ce qui à trait au bon fonctionnement du système. C est pourquoi la pondération de 2% lui a été attribuée. Voici donc un tableau qualitatif permettant d évaluer la cote de confidentialité par rapport à l opacité et l accessibilité aux intrus : Les données sont complètement opaques et inaccessibles aux intrus 1 Les données sont complètement opaques et difficilement accessibles aux intrus 0,75 Les données sont complètement opaques, mais accessibles aux intrus 0,25 Les données ne sont pas opaques et facilement accessibles Commande automatisée Précision du système de régulation La précision du système de boucle de régulation est un barème important dans ce sens où il est fondamental d avoir la meilleure précision possible, car tout le projet est basé sur la régulation. C est donc pourquoi la marge d erreur entre la mesure et la consigne devra être minimisée. Toutefois, la valeur d écart à la consigne n est pas une donnée fournie par le fabricant puisqu elle varie énormément selon le contexte d utilisation. Les fabricants parlent d un système à "haute précision" ou d un système requérant une "précision moyenne". C est dans cette optique que le barème pour la précision sera défini : haut, moyen et bas niveau de précision pour des notes de 1, 0.5 et 0 respectivement. Une importance relative de 10% est accordé à ce critère, car la précision de la commande en dépend Taux de correction du système de régulation On définit le taux de correction du système de régulation comme étant la fréquence à laquelle le système effectue une boucle complète. Le client a spécifié qu il désirait que la logique de commande soit exécutée à toutes les 500 ms (2 Hz) ou plus. C est ainsi que le barème de qualité pour le taux de correction du système de régulation est calculé : f 18 1, f [2; 20] 9 où f est la fréquence exprimée en Hertz. On observe que lorsque cette expression prend la valeur 1, la fréquence est de 20 Hz ce qui correspond à une valeur de loin supérieure à ce que le client désire, mais néanmoins réalisable dans un contexte industriel. Il a été décidé d accorder une valeur de 10% à ce critère, ce qui est plutôt réaliste compte tenu de l importance d un bon système de régulation.

21 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Facilité d utilisation de l interface On définit en général la facilité d utilisation d un système comme la mesure de l efficacité et de l aisance avec lesquelles un utilisateur arrive à réaliser des tâches prévues. Ainsi, en terme d optimisation et de gain de temps, plus un système est facile à utiliser, meilleur il est. À cet effet, l interface homme-machine est un dispositif permettant à l homme, à l aide de différents moyens, d opérer le système à distance. Si ce critère est évalué pour plusieurs éléments, une moyenne sera calculé. Les niveaux de facilité sont : très facile, facile et difficile pour des notes de 1, 0.5 et 0 respectivement. De même, une cote de 5% est octroyée, car ce n est pas un besoin primaire du client. 4.4 Entretien et coût Rafraîchissement du système de géolocalisation Un des aspects les plus importants d un système de géolocalisation est le taux selon lequel la position peut être rafraîchie. Pour les fins de ce projet, il a été déterminé que la vitesse de rafraîchissement ne se doit pas nécessairement être très rapide, étant donné que la position est un support à l opération des mini-usines et non une fin en soi. Une utilisation du système à des vitesses modérées est tout de même acceptable. Ainsi, le barème du rafraîchissement suivant a été établi : 120 2t, t [0,5; 60] 119 où t est le temps en secondes. Si la valeur de t est inférieure à 0,5, la cote sera donc 1. Si au contraire la valeur de t est supérieure à 60 secondes, la cote de 0 sera automatiquement attribuée. La valeur accordée aux taux de rafraîchissement du système de géolocalisation est de 3%. Cette pondération est justifiable, car un système qui rafraîchit plus rapidement qu un autre n augmente pas grandement la qualité du système en général Précision du système de géolocalisation Les données recueillies par un système de géolocalisation ont toujours une certaine erreur de précision. Ce qui fait la force d un bon système est entre autres sa capacité à recueillir une position qui soit le plus exacte possible. La mesure de la précision d un tel système est associée au rayon d un cercle représentant l erreur possible des coordonnées. Le barème suivant décrit quantitativement la précision : e ( r2 100 ) r [0; 25] où r est le rayon en mètres. Des rayons plus grands que 25 mètres ne satisfont pas ce barème étant donné que le projet exige tout de même une grande exactitude afin de rendre utile le système de géolocalisation. Ils se verront donc attribuer la cote de 0. De plus, le choix de la fonction qui décrit le rayon fait en sorte que l appréciation décroît rapidement plus celui-ci

22 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 14 augmente. Étant donné la faible importance du système de géolocalisation par rapport aux fonctions plus capitales du système, une pondération de 3% a été accordée à ce critère Fiabilité du produit La fiabilité concerne le système dans son ensemble. Celui-ci doit être très robuste et permettre de réduire au maximum les durées d inactivité. De cette manière, le client est toujours en mesure de prévoir ce que le système fera et est donc assuré de ne jamais avoir de problèmes catastrophiques. C est pour cette raison que ce critère possède la note relativement élevée de 10%. Voici un tableau qualitatif qui permet d évaluer le niveau de fiabilité : Très robuste et réparation très courte 1 Robuste et réparation courte 0,75 Peu robuste et réparation longue 0,25 Fragile et réparation lente Facilité de configuration et de programmation Afin de faciliter l entretien du système et réduire les coûts de formation des techniciens, le système doit être facilement configurable et ou programmable. Non seulement la simplicité limite le nombre d erreurs qui peuvent être commises, mais elle accélère aussi les réparations. C est pourquoi une pondération de 4% a été attribuée à ce critère. Si ce critère est évalué pour plusieurs éléments, une moyenne sera calculé. L évaluation se fera à l aide du tableau qualitatif suivant : Très facilement configurable et programmable 1 Facilement configurable et programmable 0,75 Difficilement configurable et programmable 0,25 Très difficilement configurable et programmable Coût de production et d entretien Un point non négligeable lors du design de tout projet est le coût lié aux développement et à la conception. Ce coût inclut non seulement toutes les composantes matérielles, mais aussi les coûts d installation. De plus, comme un système peut être très peu dispendieux initialement, mais posséder des coûts d opération annuels très élevés, le barème a été établi pour une durée de cinq ans. Il a été déterminé qu une somme raisonnable nécessaire à l ensemble du projet SysCom sur cinq ans serait $. Tout système coûtant moins cher se verra attribuer la note de 1. Par contre, il faut éviter de rendre le projet trop dispendieux. De ce fait, la limite permise sera $. Par ailleurs, une pondération de 5% a été consentie, car le coût de production doit être le plus minime possible c, c [100000; ] où c est le coût en dollars canadiens.

23 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Maison de la qualité Le résumé de la corrélation entre les critères et les objectifs se retrouve dans la figure 4.1, la maison de la qualité. Dans cette figure est synthétisée l information qui indique avec quelle force les critères affectent les objectifs et vice-versa. Corrélation Oui Non Relation Forte Modérée Faible Objectif # Stockage des données Échange d information Conmmande automatisée Entretien et coûts Objectifs Critères Intégrité des données Intrusions informatiques Fréquence d'archivage Durée de stockage des données Taux d'envoi des données Minimiser les pertes de données Contrôler les accès aux données du système Maximiser la fréquence d archivage des données Conserver les données à long terme Optimiser le taux d envoi des données Optimiser le taux de réception des données Assurer l intégrité des données transmises Assurer la précision du codage des entrées/sorties analogiques Renforcer la confidencialité des données Réduire la marge d erreur entre la requête et l exécution de l action Optimiser le taux de rafraîchissement du système de régulation Faciliter l utilisation de l interface homme machine Optimiser le taux de rafraîchissement du système de géolocalisation Maximiser la précision du système de géolocalisation Rendre la configuration et la programmation facile Maximiser la fiabilité Minimiser les coûts Taux de réception des données Intégrité de l'information transmise Précision du codage des entrées sorties Confidentialité des données Précision du système de régulation Taux de correction du système de régulation Facilité d'utilisation de l'interface Rafraîchissement du système de géolocalisation Précision du système de géolocalisation Fiabilité du produit Coût de production et d'entretien Restrictions fréquence 1/20 Hz durée 1 an taux 40 Kbits/s taux 40 Kbits/s au moins 12 bits fréquence 2 Hz Fig. 4.1 Maison de la qualité

24 Chapitre 5 Conceptualisation et analyse de faisabilité 5.1 Diagramme fonctionnel Afin de combler le plus adéquatement possible les besoins du client, les différentes fonctions devant être effectuées par le système ont été détaillées dans le diagramme 5.1 ci-dessous, ainsi que les intrants et extrants qui y sont associés. Il y a trois intrants devant être manipulés Intrants Extrants En cas d anomalie Géolocalisation Après réparation par un technicien Signaux électriques des mini usines Acquisition des données et régulation Signaux de commande Signaux d opération Demande d accès aux données archivées Sécuriser les données Transfert de données Traitement du serveur Stockage Accès aux données sur module portable à distance et gestion des demandes d intervention Accès aux données sur interface locale Données archivées Affichage des données Fig. 5.1 Diagramme fonctionnel 16

25 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 17 par des fonctions pour finalement obtenir les trois extrants. Pour ce qui est des signaux captés par les mini-usines, ils doivent tous être traités par un système d acquisition des données et de régulation. Cette fonction numérise les données et, à l aide de ces données numérisées, peut alors corriger l action en envoyant un nouveau signal de commande s il y a lieu. Ce signal de commande est un extrant qui permet une action chez les mini-usines. En cas d anomalie détectée au centre de gestion, un employé consultera la fonction de géolocalisation afin de déterminer le technicien le plus près de l unité en problèmes. Le technicien, par le biais de son interface mobile, pourra consulter l information concernant cette mini-usine ce qui lui permettra de déterminer la procédure à utiliser pour régler le problème. En tout temps, les données numérisées devront être stockés à des fins de stockage. À la demande du client, les données transmises doivent préalablement subir des modifications afin de demeurer confidentielles. La fonction «sécuriser les données» permettra ces modifications. Ensuite, la fonction «transfert de données» effectue l envoi et la réception des données d un point à un autre. Une fois reçu au centre de gestion ou chez un fournisseur, le stockage des données permet la conservation des données à long terme sur un ou plusieurs supports physiques. Deuxièmement, l intrant «signaux d opération» correspondant à une commande du centre de gestion ou des techniciens. Ces commandes doivent être modifiées par les fonctions de sécurisation des données et transfert expliquées ci-dessus pour finalement servir de signaux de commande. Quant à elles, les demandes d accès aux données archivées sont nécessaires pour que les techniciens sur la route et que les employés au centre de gestion aient accès aux informations des mini-usines en temps réel. La fonction du traitement du serveur prend en charge la demande d accès aux données et ira chercher les informations voulues dans la base de données. Ces informations seront alors retransférées soit sur le module portable du technicien, soit sur l interface locale des employés du centre de gestion. L extrant «affichage des données» est alors obtenu. 5.2 Élaboration des concepts de solution Régulation Dans le cadre du projet SysCom, la régulation est l un des aspects les plus importants afin d assurer le bon fonctionnement de tout le système. Les critères précédemment établis seront maintenant mis à contribution afin de comparer trois technologies de régulation ayant une importante part du marché : les automates programmables ( ), les systèmes de contrôle distribués ( ) et les PC industriels ( ). Aspects physiques Le système doit être robuste et avoir une masse et un volume négligeables par rapport aux mini-usines. Le taux de correction doit être supérieur à 2 Hz.

26 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 18 Le système doit avoir une erreur sur la commande minimale. Aspects économiques Le concept doit avoir un coût d implémentation faible à long terme. Aspects temporels Le système doit avoir une durée de vie élevée. Aspects sociaux et environnementaux Non-applicable PLC + SCADA Principes et caractéristiques Un automate programmable industriel (PLC 1 ) est un régulateur de type séquentiel fréquemment utilisé en industrie, car il possède de nombreux avantages. Il est facilement programmable, toutefois, puisqu il n est pas lié à un réseau, la programmation doit s effectuer localement. Le langage de programmation qui y est le plus souvent associé est un type particulier de Ladder Diagram, mais plusieurs langages plus communs sont aussi utilisables. Le PLC un régulateur rapide : un cycle simple (de l entrée à la sortie en passant par la commande) s effectue en quelques millisecondes. Le PLC a ceci de particulier qu il est difficilement réseautable. Considérant cette caractéristique, il fut décidé de coupler le PLC à un (SCADA 2 ), qui est un système d acquisition et de traitement de données très complet. Le SCADA est un système comportant une interface homme-machine, des actionneurs, un réseau, une base de données ainsi qu un logiciel de gestion des entrées-sorties (interface graphique). Les logiciels d acquisition des données développés pour le SCADA sont nombreux, rapides et très faciles d utilisation. Décision Retenu Justification Le SCADA est un concept de solution englobant plusieurs besoins du client. Lorsque couplé avec un PLC, il agit comme régulateur (localement et à distance), comme interface homme-machine, et comme logiciel d acquisition et de traitement des données. Ce logiciel permet une visualisation facile des données en temps réel et octroie une grande facilité d utilisation. Considérant tous ces points, le SCADA est un concept de solution retenu. Quant aux automates programmables, ce sont des régulateurs ayant fait leurs preuves d efficacité, de fiabilité et de longue durée de vie. Ils sont aussi hautement personnalisables. Considérant tous ces points et les contraintes mentionnées dans le cahier des charges, ce concept de solution est retenu. Références [1] [2] [3] [4] DCS + Pi System Principes et caractéristiques Un système de contrôle distribué (DCS 3 ) a pour principal avantage son niveau de réseautage. Il est possible d opérer à distance la gestion et la 1 PLC signifie «Programmable Logic Controller». 2 SCADA signifie «Supervisory Control And Data Acquisition». 3 DCS signifie «Distributed Control System».

27 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 19 commande via un transfert de données numériques sur les ordinateurs du centre de gestion. Un système distribué comprend alors plusieurs régulateurs reliés en réseau à ces mêmes ordinateurs. Le DCS prend un peu plus de temps que le PLC pour effectuer un cycle, cependant, il est plus précis. Les langages de programmation possibles sont le Structured English, le Block Diagram et le Ladder Diagram qui sont tous des langages qui requièrent peu de connaissances informatiques. Il fut décidé de coupler ce concept de régulation avec un système de traitement de l information reconnu pour être très complet et efficace : le Pi System. Ce système, développé par OSISoft, permet la gestion en temps réel des données sur tous les ordinateurs de gestion d ÉcoloVal. Les logiciels de traitement des données sont faciles d utilisation. Globalement, le Pi System priorise la performance constante et la rapidité d exécution des tâches. Le système permet également de sécuriser les données en restreignant l accès de certains utilisateurs. Seul bémol : la plateforme logicielle n existe que sur Windows. Décision Retenu Justification Dans le contexte d ÉcoloVal, un système de contrôle distribué répond à tous les besoins du client. La mise en réseau est facilitée avec le Pi System et les langages de programmation offrent plusieurs possibilités pour les techniciens. La précision du DCS est un facteur à ne pas négliger puisque, dans un contexte de traitement des boues organiques, un haut niveau de précision est de mise. Le DCS a pour seul désavantage d être peu personnalisable. Puisque le DCS est couplé au Pi System, ce concept de solution est globalement très rapide et performant. Considérant tous ces points et les critères du cahier des charges, ce concept de solution est retenu. Références [5] [6] [7] [8] [9] PC industriel + Historian Principes et caractéristiques Les PC industriels sont des ordinateurs avant tout conçus pour être très robustes et résistants. Ils peuvent résister à des conditions ambiantes extrêmes tel les chocs, les vibrations, la poussière et l humidité. Dans une optique de facilité d utilisation, ils sont équipés d un écran tactile. Les pièces internes sont dans un environnement hermétique et elles sont facilement remblaçables en cas de bris ; cela rend le PC industriel fiable et flexible. De plus, les coûts d implémentation dans le système global se verraient diminués puisqu il n y aurait plus de nécéssité d interface locale. Ce système sera utilisé conjointement au logiciel Historian développé par GE. Ce logiciel est axé sur la performance et la rapidité de l acquisition, de la visualisation et de la gestion des données. Décision Retenu Justification Ce concept de solution répond entièrement aux besoins du client et aux critères établis dans le cahier des charges. Toutefois, puisque la suite Historian est seulement logicielle, il faudra prévoir des coûts supplémentaires pour l implémentation d un réseau pour partager l information entre les PC industriels et les ordinateurs du centre de gestion. Contrairement à d autres logiciels, la suite Historian est fonctionnelle

28 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 20 sur plusieurs SE (Windows, Linux et Mac). Considérant tous les points ci-dessous, ce concept de solution sera retenu. Références [10] [11] Tab. 5.1 Faisabilité des concepts d acquisition des données et de régulation Solution Faisabilité Physique Économique Temporel Socio-env. Décision PLC Oui Oui Oui N/A Retenu DCS Oui Oui Oui N/A Retenu PLC + SCADA Oui Oui Oui N/A Retenu Géolocalisation La géolocalisation est un des besoins du client qui s inscrit dans la section entretien de ce projet. À tout moment, les coordonnées des techniciens et celles des mini-usines doivent être accessibles pour que les usagers du système puissent connaître la position en temps réel des effectifs sur le terrain. Il y a plusieurs façons d obtenir ces coordonnées, et ce avec une précision, une rapidité et une commodité différente. Ainsi, cette fonction est limitée par certains aspects, notamment physiques, qui peuvent affecter la qualité de la géolocalisation. Le résultat de l analyse est résumé dans le tableau 5.2. Aspects physiques La précision des coordonnées doit être élevée. Le temps de rafraîchissement des coordonnées doit être court. La position doit être connue en tout temps. Aspects économiques Les coûts du matériel et d opération doivent être faibles. Aspects temporels Non-applicable Aspects sociaux et environnementaux Non-applicable Localisation par GPS (satellite) Principes et caractéristiques Le mode de géolocalisation le plus souvent utilisé dans le marché des appareils personnels et industriels est le mode par satellite, souvent connu sous le nom GPS 4. Cette technique consiste en la traduction du signal émis par des satellites en orbite autour de la terre en une latitude et une longitude, qui peuvent ensuite être utilisées à des fins de positionnement. La précision des GPS varie dans un 4 GPS signifie «Global Positioning System».

29 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 21 rayon de de 10 à 1000 mètres. Cependant, la localisation par satellite ne fonctionne pas en toute situation. L utilisateur d un tel système doit nécessairement être à l extérieur afin d être détecté. Le coût d achat, pour un équipement complet de géolocalisation de la compagnie BlueFox, est de 250$, en plus des frais mensuels de 30$ qui s ajoutent. Ce type de système offre un logiciel intégré ainsi qu un taux de rafraîchissement de la position entre 2 et 5 minutes. Décision Retenu Justification Tout d abord, la technologie de positionnement par satellite est grandement répandue dans l industrie, ce qui assure déjà que ce type de solution est fiable. D ailleurs, les coûts reliés à l achat d équipement et à l opération de cet équipement ne sont pas trop grands, alors l aspect économique est respecté. Finalement, même si le positionnement par satellite requiert d être à l extérieur, cela n affecte pas la qualité du système, car les usines et les techniciens sont nécessairement situés à l extérieur. Références [12] [13] [14] Localisation par GSM Principes et caractéristiques La localisation par GSM 5 est une technologie qui utilise les antennes cellulaires afin de déterminer la position d un appareil. Cette technologie utilise un mélange de techniques de manière à trianguler, à l aide des tours de signal cellulaire environnantes, la position approximative de l usager. Cependant, la technologie GSM est plutôt imprécise, en ce sens qu elle peut localiser l appareil dans un rayon de 200 mètres à plusieurs kilomètres. De plus, le temps de rafraîchissement peut dépasser 5 minutes dans certains cas. C est pourquoi cette technologie est plus utilisée dans le milieu des appareils personnels que dans les appareils industriels. Par exemple, la compagnie Rogers offre des forfaits mensuels à environ 35$ pour des appareils téléphoniques permettant la réception de données cellulaires, donc la triangulation. Décision Rejeté Justification La technologie de positionnement par GSM est une très bonne technologie en ce qui concerne les téléphones personnels, mais très peu utile dans le contexte industriel. Les critères du client ne sont pas respectés en ce qui concerne le temps de rafraîchissement. Aussi, la précision des données n est pas acceptable pour l application du projet. Alors, cette solution de positionnement est rejetée. Références [15] [16] [17] Localisation par Wi-Fi Principes et caractéristiques L utilisation du Wi-Fi en tant que technologie de géolocalisation est assez récente. Elle a été popularisée, entre autres, par Google qui a recensé les réseaux Wi-Fi de la plupart des rues du monde, ainsi que leur localisation. Cette 5 GSM signifie «Global System for Mobile Communications».