Les raffinements de l intégration

Les raffinements de l intégration Contrôle-commande et gestion énergétique renouent le dialogue sur 800xA pour améliorer les performances d une raffinerie Antonio Carvalho, Johan Hansson Une alimentation en énergie fiable et sûre est vitale pour l industrie. La gestion et la maîtrise de cette fourniture est donc aussi importante que le suivi et le pilotage des autres paramètres clés d un site. L intégration d un système de gestion de l énergie électrique dans le système de conduite du procédé accroît la productivité et la disponibilité pour se fondre en une seule stratégie de développement, de maintenance et d exploitation. ABB a pris la tête du domaine de l intégration électrique avec sa plate-forme d automatisation étendue 800xA, primée pour ses performances et sa capacité à rallier les dispositifs électroniques intelligents «IED» (Intelligent Electronic Devices) sous l égide de la norme de communication des postes électriques. L adoption de ce référentiel mondial fondé sur une technologie de pointe diminue les coûts d installation et de fonctionnement tout en dopant la gestion d actifs industriels. ABB a équipé 9 des 12 raffineries du groupe pétrolier brésilien Petrobras de solutions intégrées de conduite du procédé et de gestion énergétique 800xA qui lui permettront d augmenter sa production de 40 %! Cet article fait le point sur cette démarche d intégration, qu illustre la modernisation de la raffinerie REPAR de Petrobras. Revue ABB 4/2009 47

L «intégration électrique» ne date pas d aujourd hui : les appareillages basse, moyenne et haute tension sont intégrés à la conduite du procédé depuis bien des années. De tout temps, les automatismes du process et la distribution de l énergie ont relevé de systèmes distincts au sein d une même usine, les équipements étant couplés par un maquis d interfaces «en fil à fil» qui, en alourdissant les coûts de câblage et de développement, encombrent la bande passante et sapent l efficacité économique de la solution. L avènement des IED communiquant sur liaisons série, devenus monnaie courante dans l industrie et la production d énergie, a permis d exploiter bien plus d informations du système électrique. L automatisation des postes électriques s appuie sur un arsenal protocolaire et normatif, comme la CEI 60870-5-10x, DNP 3.0, Modbus... qui se traduit sur le terrain par une multitude d interfaces, d outils de développement, de convertisseurs de protocoles et de passerelles, avec les surcoûts de matériel, de maintenance et d ingénierie qui en découlent. Ce foisonnement donne lieu à des solutions mises en œuvre au coup par coup, projet par projet, voire équipement par équipement. La figure 1 en illustre les conséquences : la multiplication des protocoles de communication série avec les IED et la nécessité d une interface câblée pour relier contrôlecommande et système électrique. Normalisation La publication, en 2004, de la portant sur les réseaux et systèmes de communication dans les postes électriques, a énormément simplifié l intégration des IED. En garantissant l interopérabilité des équipements, la norme se substitue à tous les protocoles de communication des automatismes de postes électriques. Elle s articule autour d un modèle virtuel complet de l IED, de ses données et services de communication. Cette modélisation assure la cohérence de tous les types et marques d IED normalisés. L interopérabilité est renforcée par l emploi d un langage commun de description de confi- 1 Conduite de procédé et gestion énergétique : systèmes séparés, reliés par câble Conduite Contrôle-commande Automatismes Procédé Contrôleur Bus de terrain Vue du procédé Turbine, cycle eau + vapeur, commande d unité, chaudière, FGP Réseau de gestion Serveur de contrôlecommande Réseau de contrôle-commande Vue des équipements électriques Réseau de gestion Serveur de supervision Passerelle/Convertisseur de protocole Contrôleur Protocole 1 Protocole 3 Protocole 2 E/S locales IED Armoire de brassage Encadré 1 Correspondance modèle de données/protocole selon CEI 68150 Interface abstraite de services «ACSI» Interface de pile Pile * Echanges événementiels MMS TCP IP Protection d alternateurs et de transformateurs, appareillages MT/HT, contrôle d excitation, synchronisation Application Modèle de données (objets, services) Communication client-serveur La communication La utilise la messagerie MMS (Manufacturing Message Specification) sur Ethernet TCP/IP. Elle établit une correspondance normalisée entre d un côté le modèle de données et les services de communication, de l autre la pile protocolaire (cf. figure) ; c est la seule opération qui doit s adapter aux évolutions des techniques de transmission et qui, par là-même, pérennise la communication en cas de nouveaux développements. Les échanges verticaux de type client-serveur entre IED et contrôlecommande s appuient sur ces correspondances, depuis le modèle de données (haut de la figure) jusqu à la pile MMS dans GOOSE* Couche Liaison Ethernet Mesures échantillonnées Communication prioritaire en temps réel Couche Physique Ethernet avec ordre de priorité (100 Mbit/s) son intégralité (à gauche). GOOSE et les valeurs échantillonnées sont des services de communication temps réel pour les données prioritaires ; ils s obtiennent par des mises en correspondance directes au niveau de la couche Liaison Ethernet, en éliminant les traitements intermédiaires. GOOSE gère les flux horizontaux d IED à IED, se substituant aux signaux câblés traditionnels. Les valeurs échantillonnées transmettent les mesures de courant et de tension prioritaires, typiques des applications haute tension. 48 Revue ABB 4/2009

guration de poste «SCL» (Standard Configuration Language), en XML Encadré 1. et 800xA d ABB 800xA est le premier système de contrôle-commande du marché à mettre en œuvre la norme 2 pour la communication tant verticale (pile protocolaire MMS) qu horizontale (service GOOSE 1) ). Dans la pratique, l intégration verticale prend appui sur un serveur OPC 2), qui transfère les données MMS au système 800xA, sous forme de données OPC classiques. 800xA a donc un accès direct à la totalité des mesures (intensité, tension), états, interverrouillages, alarmes et événements horodatés des IED sélectionnés, auxquels il peut aussi envoyer des ordres d ouverture-fermeture. Toutes les fonctions d affichage du 800xA (graphiques configurables, vues de conduite, alarmes et listes d événements, historiques) sont disponibles. Mieux, 800xA peut accéder en lecture/ écriture aux paramètres des IED à distance et rapatrier leurs fichiers de perturbographie. Le volet horizontal de l intégration est géré par le contrôleur d automatismes AC 800M sur GOOSE. En l équipant d une interface, on permet la communication horizontale avec tous les IED d un même réseau, en temps réel, pour exécuter un délestage rapide, un verrouillage... ou récupérer des valeurs analogiques utiles à l application de contrôle-commande. En conjuguant flux verticaux et horizontaux, le système 800xA d ABB bénéficie des tout derniers progrès de la communication industrielle pour dialoguer avec les IED, en conformité avec la norme internationale. Cela se Notes 1) Acronyme de Generic Object-Oriented Substation Event 2) Acronyme de OLE* for Process Control : interface ouverte de communication industrielle temps réel entre équipements de contrôle-commande de marques et de modèles différents. * Object Linking and Embedding : mécanisme Microsoft de liaison et d incorporation d objets graphiques dans un document texte, par exemple. 2 Conduite de procédé et gestion énergétique : systèmes intégrés sur 800xA, selon Salle de conduite Contrôle-commande Automatismes Procédé Encadré 2 La gestion énergétique en question L alimentation en fluides et énergies d un procédé industriel revêt une importance cruciale ; il en va de même de sa gestion. L activité industrielle est aujourd hui tributaire de nombreux facteurs (raréfaction des ressources énergétiques, volatilité des coûts, montée des contraintes environnementales et réglementaires...) qui réclament une gestion plus rationnelle, sobre et efficace de l énergie, à l échelle de la planète. Vues du procédé Réseau de contrôle-commande Contrôleur AC 800M Bus de terrain Turbine, cycle eau + vapeur commande d unité, chaudière, FGP Ce que la normalisation appelle aujourd hui le «management de l énergie» concerne plus particulièrement les filières électrointensives : pétrole, gaz, pétrochimie. Dans bien des régions du monde, l industrie est confrontée aux carences et au manque de fiabilité du service public de fourniture électrique. Il lui faut donc recourir à ses propres capacités de production et de distribution. Le management de l énergie gère cette vulnérabilité et vise une énergie durable conciliant efficacité, économie, santé, sécurité et écologie. Un système de gestion de l énergie (SGE) pilote et surveille la production et la distribution électriques. L une de ses grandes fonctions est le délestage qui oblige le réseau à réagir et à équilibrer les transits à l aide de manœuvres «réflexes». Les équipements de protection et de conduite peuvent aussi superviser le réseau et, si nécessaire, ordonner un délestage en fréquence. Réseau de gestion Vues des équipements électriques Serveur d'aspects Serveur de connexion, dont serveur OPC Contrôleur AC 800M avec interface CEI 68150 Intégration horizontale GOOSE selon Intégration verticale MMS selon Réseau IED Protection d alternateurs et de transformateurs, appareillages MT/HT, contrôle d excitation, synchronisation Autre mission clé de la gestion énergétique, la commande des génératrices (dont l intégration avec la régulation de la turbine et le contrôle de l excitation). La Gestion d énergie ABB sur 800xA est une solution de pointe qui répond aux exigences des procédés industriels pour lesquels le management de l énergie est déterminant en termes de coût et de fiabilité. Garantie d extensibilité et d évolutivité fonctionnelle Redondance à tous les niveaux Prise en charge de nombreux langages de programmation Gestion des protocoles de communication de toutes générations : OPC, Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus DP, PROFInet, TCP/IP, CEI 60870, DNP3,... Haut débit Support des langages de programmation automate normalisés CEI 61131-3 Intégration dans le contrôle-commande de procédé Intégration dans les systèmes secondaires (GPS, centrales météo, départsmoteurs, GMAO) Optimisation d actifs Sécurité et contrôle d accès renforcés Revue ABB 4/2009 49

traduit par une intégration transparente des équipements de poste électrique, qui autorise à son tour une réelle intégration du contrôlecommande et de la gestion d énergie, sur un système unique. Principaux avantages : Une seule interface utilisateur garantit la cohérence dans la présentation des informations, l accès aux données et les procédures d exploitation, l ensemble améliorant considérablement l efficacité de l opérateur. L enregistrement et l archivage des données dans une base commune accélèrent l analyse des erreurs et la consignation chronologique des événements sur tout le site. Le coût de possession s en trouve réduit grâce à la diminution des pièces de rechange et des besoins en formation du personnel, à l allégement des tâches administratives du système et de la documentation. La gestion des actifs gagne en efficacité avec les diagnostics électriques et la connexion aux systèmes d entreprise de rang supérieur, comme la GMAO (gestion de la maintenance assistée par ordinateur). Un exemple raffiné : Petrobras ABB a installé un grand nombre de systèmes de gestion d énergie (SGE) Encadré 2 dans 9 des 12 raffineries détenues par Petrobras au Brésil Encadré 3. Il en a aussi équipé 7 de systèmes de contrôle-commande de procédé. Il y a trois ans, Petrobras s est lancé dans un ambitieux programme d investissements stratégiques pour accroître sa production et améliorer la qualité de ses produits (carburants diesel et essence, au premier chef). Son objectif était double : construire de nouvelles unités de production et moderniser l existant. En février 2008, Petrobras signe un accord-cadre avec ABB portant sur la fourniture de systèmes de gestion d énergie et de contrôle-commande. Ce contrat de 61 millions de dollars US couvre la fourniture de matériel, de logiciel et de services techniques, dont une formation spécialisée. Il prévoit la réalisation de quelque 70 projets sur les 9 raffineries déjà équipées par ABB. Le programme de modernisation est gigantesque : outre de nouvelles unités d hydroraffinage, de cuisson, de désulfuration..., Petrobras construit 50 nouveaux postes électriques et en modernise 40 autres pour les mettre en conformité avec la. Le système 800xA d ABB convient parfaitement à ces projets d envergure : plate-forme vedette de l automatisation d un large éventail d industries de transformation, il se singularise par son aptitude à intégrer la conduite de procédé, l équipement électrique et la sécurité en un seul système. Cette faculté, parmi d autres, permet aux exploitants de raffineries de surveiller et de piloter leurs opérations à partir d une seule interface et de gérer à la fois des applications de gestion énergétique et des postes électriques «intelligents», normalisés, au sein du contrôle-commande de procédé. Les avantages opérationnels et économiques de cette intégration système sont légion : optimisation de tous les automatismes et équipements électriques, simplification du développement, rationalisation de la maintenance, amélioration de l efficacité énergétique, diminution des investissements de départ. Petrobras projette de maximiser ses opérations, sur tous les plans : exploitation, maintenance, formation, optimisation et contrôle qualité. Le système 800xA est pourvu des données et ressources nécessaires pour étayer ces améliorations. Le projet REPAR La raffinerie REPAR est l une des plus grosses unités de production de Petrobras dans l aval pétrolier. Elle est implantée dans l état de Paraná (au sud du Brésil) qui compte parmi les régions les plus industrialisées et les plus peuplées du pays ; c est pourquoi REPAR figure au rang des raffineries qui se taillent la part du lion des investissements stratégiques de Petrobras. Ce plan de modernisation prévoit l installation du nouveau SGE assorti de plusieurs postes électriques, dont un poste d arrivée 230 kv, un poste de distribution à isolation gazeuse 69 kv, 12 postes de procédé et 2 nouveaux turbo-alternateurs. Le projet, qui a presque triplé la puissance électrique fournie à la raffinerie (26 MW à 76 MW), englobe la construction d une centrale et de 12 nouveaux postes, ainsi que la modernisation des 8 existants. Encadré 3 Tout d un géant La compagnie nationale des pétroles brésiliens Petrobras (Petroleo Brasileiro SA), détenue à plus de 50 % par l Etat et établie à Rio de Janeiro, est la plus grosse capitalisation boursière d Amérique latine et le premier groupe industriel implanté dans l hémisphère sud. Fondé en 1953, Petrobras a détenu jusqu en 1997 le monopole public du développement des réserves pétrolières et gazières, du raffinage et de la distribution d hydrocarbures. Malgré la libéralisation du secteur, c est encore un producteur de pétrole de premier plan avec plus de 2,5 millions de barils équivalents par jour, ainsi qu un important distributeur de produits pétroliers, également propriétaire de raffineries et de navires pétroliers. En amont, Petrobras est leader mondial du développement des techniques avancées de production en eaux profondes et ultra-profondes. Petrobras est présent dans 27 pays, sur les marchés de l exploration, de la production, du raffinage, du négoce et du transport d hydrocarbures et des produits dérivés, au Brésil et à l étranger. Fort de sa «responsabilité sociale et environnementale», l énergéticien cumule les podiums : 4 ème rang mondial des compagnies pétrolières nationales, 3 ème plus grosse entreprise du continent américain et 6 ème plus grand groupe mondial, en valeur marchande. Données chiffrées Valeur marchande (août 2009) 173,59 milliards US$ Stations-services + de 8 000 Effectifs (juin 2009) 75 242 Plates-formes de production 112 Centrales thermiques 10 Raffineries 16 Production moyenne de pétrole et gaz naturel 2 505 379 barils/j (juin 2009) Investissements (2009-2013) Investissements en biocarburants (2009-2013) 174,4 milliards US$ 2,8 milliards US$ 50 Revue ABB 4/2009

La raffinerie a adopté la norme pour la communication entre ses automatismes de postes et le SGE. La plate-forme 800xA d ABB répondait parfaitement aux exigences du nouveau SGE de REPAR : ce dernier devait intégrer en une solution unique et centralisée les fonctionnalités premières de son prédécesseur (délestages et réglages de la puissance réactive). L ancien SGE a ainsi vu troquer ses stations Advant pour le système 800xA, tout en conservant ses contrôleurs Advant Master. Les nouveaux postes électriques utilisent d office le système 800xA 3. Ces postes s appuient sur des contrôleurs AC 800M redondants, équipés d interfaces pour dialoguer avec les IED et de connexions bus de terrain Profibus DP pour se raccorder aux départs-moteurs et variateurs communicants. Le réseau opère à plusieurs niveaux de tension : poste à isolation gazeuse 69 kv, appareillage 13,8 kv, tableaux de distribution moyenne tension 2,4 kv et tableaux de distribution 0,48 kv. Le SGE d ABB gère donc toutes les tensions du système électrique de la raffinerie. L exploitation du 800xA est facilitée par la bibliothèque de fonctions du SGE d ABB qui bénéficie des 24 ans d expérience du Groupe dans ce domaine. A l achèvement du projet, le système 800xA alignera 16 AC 800M redondants, installés dans 10 postes électriques s interfaçant avec 460 IED. Pour exploiter ce nouveau tandem contrôle-commande/gestion d énergie, REPAR a construit un centre de conduite équipé de 56 postes opérateur 800xA, dont 4 seront réservés à la surveillance des manœuvres électriques. L une des réalisations majeures du projet fut le poste à isolation gazeuse 69 kv, basé sur la gamme d IED 670 d ABB et déjà opérationnel. L introduction de l architecture réseau Encadré 4 donna lieu à de rigoureuses études qui rassemblèrent automaticiens et spécialistes des postes électriques autour d une même «table de projet». ABB accompagna ces efforts d intégration en conseillant les ingénieurs spécialistes des postes sur le bon usage du modèle de données pour parfaire l intégration avec le SGE du 800xA. 3 Synoptique du SGE de REPAR intégré au contrôle-commande existant Procédé Procédé et équipements Poste de développement CS AS IM OPC AC 800M Réseau de contrôle-commande Profibus DP Départsmoteurs Variateurs Evénements E/S S800 Modulebus Synch Régulateurs de tension automatiques GPS Modbus RTU Redresseurs, chargeurs de batteries, services auxiliaires Tous bénéfices Les avantages pour Petrobas sont multiples : Standardisation L adoption de la et du système 800xA a permis à Petrobras de standardiser ses configurations de poste, sa logique de conduite, ses bibliothèques de commandes et ses procédures d exploitation, écourtant les temps de mise en service et de configuration. L orientation objet de la norme donne lieu à des modèles d équipement normalisés repérés par des noms au lieu de numéros d objet/ registre et d index. Grâce à sa conformité, 800xA s est totalement inscrit dans cette logique normative. IED IED IED MB300 Réseau client/serveur IED Contrôleurs AC 400 Advant Connect Revue ABB 4/2009 51

Baisse des coûts d investissement La mise en œuvre de la et du SGE du 800xA a simplifié de nombreuses phases du projet. Les progrès furent notables aux stades de la définition, de la conception et du développement au sein d un environnement utilisateur commun, mais aussi dans l emploi d Ethernet, d un seul et unique outil pour l intégration technique de tous les équipements, dans l allégement du câblage et l amélioration des protections avancées avec la messagerie GOOSE pour les échanges directs entre équipements. Baisse du coût global Parmi les apports les plus bénéfiques à REPAR figurent la gestion optimale du cycle de vie et la baisse du coût global du projet, grâce à l emploi d un système pérennisé par l interopérabilité. La réutilisation des données de développement et l emploi d un langage de programmation normalisé renforcent la puissance de la norme dans la réalisation des projets REPAR et accentuent les économies induites par les moindres besoins en formation et en personnel. L adoption du 800xA a aussi protégé les investissements passés : le système existant, basé sur les contrôleurs Advant Master, s est pleinement intégré au nouveau contrôle-commande. De plus, le nouveau SGE possède des structures prêtes à recevoir les successeurs des automatismes en place. Intégration du procédé et des équipements d énergie Un système unifiant automatismes de procédé et installations d énergie fut utilisé pour regrouper la gestion énergétique, l électrification du process et le contrôle-commande en un seul environnement de conduite installé dans la raffinerie REPAR. Les bénéfices que REPAR avait déjà tirés de son SGE existant (baisse des dépenses énergétiques) furent transposés au nouveau système et renforcés par cette intégra- Encadré 4 Architecture de réseau Câble blindé (1 Gbit/s) Fibre optique (1 Gbit/s) Fibre optique (100 Mbit/s) Serveur OPC Commutateur Poste électrique 1 Poste électrique 2 Poste électrique n L étude menée conjointement par les ingénieurs d ABB et de REPAR pour bâtir un réseau robuste porta sur des choix de topologie (étoilée ou en boucle, simple ou redondante), de programmation des IED et du 800xA, et de segmentation du réseau. Après mûre réflexion, l architecture retenue fut une boucle simple pour raccorder les commutateurs de chaque poste électrique et une étoile entre ces commutateurs et les IED. En amont, une étoile redondante relie toutes les boucles au serveur OPC commun et à un poste de développement. tion totale du contrôle-commande et de l énergie. Variateurs, départsmoteurs intelligents, appareillages moyenne tension et IED de protection et de contrôle-commande furent pilotés par un même système intégré. Les retombées furent directes et tangibles pour REPAR : meilleure visibilité du procédé, possibilité de gestion de l équipement électrique, progrès de l interfaçage avec le contrôle-commande, amélioration des procédures d exploitation. Fiabilité et disponibilité 800xA autorise la mise en œuvre d un SGE sur une plate-forme de contrôle-commande distribué. Cette intégration confère au site une disponibilité et une fiabilité hors pair. Le projet REPAR fait la part belle à la redondance qui s applique aux contrôleurs AC 800M, au réseau de contrôle-commande, à l interface OPC et à d autres aménagements pour lesquels 800xA satisfait au cahier des charges de Petrobras. Cette configuration et d autres mécanismes visant à améliorer la disponibilité ont doté REPAR d un système à même de réduire les arrêts de production intempestifs. L intégration d un système numérique et d un puissant réseau permet d utiliser une palette de fonctionnalités propres à améliorer la fiabilité du site : télémaintenance, accès aux diagnostics d équipements, édition de bilans Intégration réussie La réalisation de ce système intégré de contrôle-commande de procédé et de gestion d énergie, sur plate-forme 800xA, compte parmi les meilleures innovations 2009 3) d ABB. Le programme de modernisation de REPAR, dont l achèvement est prévu pour 2011, sera suivi d autres projets en partenariat avec Petrobras. L intégration du contrôle-commande et de la gestion d énergie ne fera pas que doper la productivité du groupe pétrolier en optimisant ses activités ; elle sera un modèle pour les futurs projets réalisés dans le monde entier. Crédits photographiques : raffinerie de REPAR (Petrobras) Antonio Carvalho ABB Process Automation São Paulo (Brésil) antonio.carvalho@br.abb.com Johan Hansson ABB Process Automation Västerås (Suède) johan.hansson@se.abb.com Note 3) Lire «Raffinerie intégrée», p. 7. 52 Revue ABB 4/2009