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Les techniques de régulation et de contrôle-commande


Le contrôle-commande, au sens large, désigne l’ensemble des solutions mises en oeuvre dans la gestion et la régulation d’un système. Cela recouvre essentiellement les capteurs, le traitement de données et l’extraction de l’information utile, la supervision et gestion du système ou contrôle-commande au sens strict, l’interface hommemachine, les opérateurs et les actionneurs. La réalisation des systèmes de contrôlecommande fait appel de façon intensive aux infrastructures et technologies numériques : calculateurs, réseaux de communication, middleware, logiciels de traitement de données et d’information et de supervision.

Middleware


Un middleware est un logiciel de communication qui permet à plusieurs processus s’exécutant sur une ou plusieurs machines d’interagir à travers un réseau.




Historiquement, les systèmes faisant l’objet d’un contrôle-commande et d’une régulation étaient fermés (architectures propriétaires), basés sur des standards sectoriels, sans connexion avec le monde extérieur et limités à des actions d’automatisme et de contrôle. Deux changements majeurs caractérisent l’évolution de ces systèmes au cours des dernières décennies. D’une part, une croissance forte de leur complexité, en passant du « simple » équipement à l’ensemble d’équipements (système) pour aujourd’hui aboutir à des systèmes de systèmes (systèmes complexes) ; d’autre part, l’évolution vers des systèmes ouverts, standardisés, dotés de fonctions intelligentes, intégrés dans les environnements de communication du Web et de l’Internet, pouvant être mis en relation avec d’autres systèmes. Selon les secteurs, cette évolution se traduira par l’abandon des protocoles propriétaires, détenus par les industriels, et un recours à des « sur-ensembles » sécurisés, par exemple de type VPN (Virtual Private Network, réseau privé virtuel), qui pourra s’avérer nécessaire selon les exigences en matière de sécurité.

Le contrôle-commande constitue un enjeu technologique et industriel crucial pour la maîtrise des grandes infrastructures techniques sur lesquelles reposent le bon fonctionnement et la sécurité des sociétés développées : production et distribution d’énergie (smart grids, nucléaire), mobilité (trafic aérien, trafic routier), process industriels, réseau domiciliaire (qui fait l’objet d’un chapitre dédié).

Par ailleurs, la complexité croissante de ces systèmes, si elle n’est pas suffisamment maîtrisée, est une source de vulnérabilités d’autant plus critiques que le système assure des services de base et des fonctions vitales de la société.

Enjeux du contrôle-commande


=> Complexité
La croissance de la complexité des systèmes de contrôle-commande va se poursuivre à la fois comme effet de la demande sociétale et comme facteur de différenciation d’offre et de compétitivité pour les industriels ; les limites de l’état de l’art technologique en matière de maîtrise de la complexité de conception et de réalisation (en particulier pour les aspects logiciels) sont atteintes ; de nouvelles approches et avancées sont indispensables pour permettre de concevoir les futures générations de systèmes et d’objets complexes.

=> Sûreté de fonctionnement
Cet enjeu sera de plus en plus important à mesure que le couplage des systèmes augmentera, une défaillance dans un système complexe pouvant entraîner l’effondrement de tous les sous-systèmes. Pour les domaines à exigence dite critique (aéronautique, énergie, etc.), la sûreté est un des aspects prioritaires à maîtriser dans l’évolution des systèmes.

=> Traitement des données
L’amélioration de la précision de pilotage se traduit par une augmentation des paramètres mesurés, et donc des données à traiter. Les difficultés sont liées à la fois au traitement de ces données, mais aussi à leur interopérabilité. Concernant le traitement, la plupart des données sont aujourd’hui traitées par des serveurs distants interconnectés (cloud computing), plutôt que par des serveurs dédiés pour chaque système. Les services de cloud computing sont installés dans des datacenters (centres de traitement des données) dont les aspects énergétiques (climatisation, consommation électrique) et de sûreté de fonctionnement constituent de réels enjeux.
En 2010, la consommation mondiale des datacenters représentait entre 1,1 % et 1,5 % de la consommation électrique mondiale. Source : étude de Jonathan G. Koomey pour le New York Times


Cette problématique n’est d’ailleurs pas spécifique au contrôle-commande. Par ailleurs, pour ce qui est de l’interopérabilité des données, il faut distinguer l’interopérabilité concernant l’échange d’informations (sémantique) de l’interopérabilité technique. La première trouve sa réponse dans les standards de communication, tandis que la deuxième relève des logiciels d’exploitation. L’interopérabilité est particulièrement importante dans le domaine ferroviaire.

=> Sécurité des données
La manipulation et la communication d’un nombre croissant de données, parfois personnelles, vont multiplier les flux d’information, posant des problèmes de sécurité et de protection de la vie privée.

=> Débit et qualité du réseau
Des réseaux hauts débits et une standardisation des protocoles de communication sont nécessaires. Les systèmes de contrôle-commande travaillent à partir de données liées à des processus ou comportements en temps réel, ce qui requiert des protocoles de communication adaptés.

Les perspectives technologiques


La majorité des technologies entrant en jeu dans un système de contrôle-commande sont connues, mais pour certaines encore peu déployées aujourd’hui. Par ailleurs, des sauts technologiques seront à moyen et long terme nécessaires dans deux principales directions :
  • technologies de conception, simulation, validation de systèmes complexes : la capacité de concevoir ces systèmes et d’en vérifier les propriétés avant la réalisation est un élément déterminant à la fois de compétitivité industrielle et d’acceptation sociale. La sûreté de fonctionnement des systèmes est un sujet majeur de recherche. Il est aujourd’hui impossible technologiquement de valider complètement tous les composants, particulièrement les composants logiciels, et leur assemblage ou intégration. La simulation (ou prototypage virtuel) peut répondre en partie à cet enjeu, avec les limites que cela comporte (exhaustivité des situations simulées non garantie) ;
  • autonomie des systèmes : il s’agit de la capacité à concevoir et à réaliser des systèmes davantage autonomes, tant au niveau de leur configuration (par exemple, réseaux dynamiques de capteurs), de leur autonomie énergétique, que de leur capacité de résilience à des pannes ou destructions partielles.
À court et moyen terme, les évolutions technologiques peuvent être envisagées à plusieurs niveaux :
  • traitement des données : il nécessite des technologies de calculateur avec des puissances de calcul de plus en plus grandes, notamment pour les données issues de capteurs-images (radar, infrarouge, visible). Des ruptures technologiques peuvent se produire suite à des progrès réalisés dans les domaines de la programmation et de l’algorithmique complexe. Il s’agit d’inventer de nouveaux modèles de calcul et de programmation afin de répondre à des contraintes croissantes : l’augmentation des besoins en calcul haute performance, l’hétérogénéité des données et la sûreté des systèmes. La multiplication des données à traiter nécessitera le développement de solutions de stockage et de mémoire ;
  • datacenters : la gestion de l’énergie est un réel enjeu pour les datacenters. Des solutions peuvent venir de la réduction de l’énergie liée au refroidissement (30 % de l’énergie consommée par les datacenters), la mise en place de free-cooling, d’une architecture en courant continu, de la valorisation de la chaleur fatale dans des réseaux de chaleur;
  • capteurs : l’autonomie en énergie des capteurs est aussi un réel enjeu (notamment pour les capteurs déportés). La diminution des consommations énergétiques des capteurs par le développement de microprocesseurs à très basse consommation et l’auto-alimentation sont des pistes d’évolutions technologiques. Le développement de nano-capteurs (NEM) devrait pouvoir répondre à cet enjeu, en augmentant la sensibilité, la rapidité, et en diminuant les consommations. Mais des verrous technologiques ne laissent pas prévoir d’applications industrielles avant 2015 ;
  • interface homme-machine (IHM) : l’augmentation du nombre et de la complexité des données à présenter à l’opérateur fait que l’IHM joue un rôle important en matière de sécurité. Le développement d’IHM simplifiées et ergonomiques, l’évolution vers des salles de contrôle en 3D, le développement de la réalité augmentée, font partie des réponses apportées. La formation des opérateurs est cruciale et complémentaire à ces évolutions ;
  • matériaux : face à la prévision de la raréfaction de certaines matières premières (argent, cuivre) d’ici 15 à 20 ans, des solutions de substitution, notamment plastiques, sont à l’étude.

Nano Electro-Mechanical Systems (NEM)


Structures mécaniques de dimension nanométrique qui réalisent des fonctions de capteur ou d’actionneur.
En raison de la longue durée de vie des systèmes de contrôle-commande (15 à 30 ans), les ruptures technologiques se font par « saut » à l’occasion de la conception d’une nouvelle « génération » (à l’intérieur d’une « génération », les évolutions sont pour l’essentiel de nature incrémentale, en particulier pour ne pas risquer de compromettre les propriétés vérifiées du système en matière de sécurité, performances, etc.). La préparation et la réalisation de ces changements de « génération » et sauts technologiques représentent un enjeu majeur pour les acteurs industriels de ce domaine.

Le marché du contrôle-commande


Le marché du contrôle-commande est un marché stratégique, composé à la fois de grands groupes et de PME, tiré par le secteur de l’énergie et représenté par une poignée de leaders au niveau mondial (ABB, Honeywell, Siemens, Emerson, Schneider Electric pour l’énergie). Les opportunités de marché sont à la fois dans les pays émergents où les besoins en réseau électrique sont importants (Inde notamment), et dans les pays industrialisés pour le développement des réseaux intelligents et la rénovation de systèmes de contrôle-commande (dans les centrales nucléaires par exemple).

La plupart des acteurs français du secteur sont regroupés au sein du GIMELEC. La France fait partie des pays les mieux positionnés sur le marché du contrôlecommande, aux côtés des États-Unis (General-Electric, Honeywell), du Japon (Toshiba, Hitachi), de l’Allemagne (Siemens) mais aussi de la Chine (et plus généralement de l’Asie). Une des menaces pour les industriels français réside dans la banalisation de l’offre des produits dits « complexes ». Pour y faire face, une augmentation des fonctionnalités et des performances des produits proposés semble incontournable. Le rôle des industriels sectoriels est de travailler sur la valeur ajoutée (fonctions, services innovants) pour le client ou exploitant du système piloté par le contrôle-commande. Parmi les standards IT, il faut distinguer ceux des infrastructures numériques (réseaux, serveurs, etc.) ou couches basses et les standards domaines qui normalisent les formats de données, les modèles de systèmes, les fonctions de base, et sur lesquels travaillent intensivement les industriels sectoriels (énergie, transport, sécurité, etc.).

GIMELEC


Le GIMELEC est le Groupement des industries de l’équipement électrique, du contrôle-commande et des services associés. Il regroupe 230 entreprises qui fournissent des solutions électriques et d’automatismes sur les marchés de l’énergie, du bâtiment, de l’industrie et des infrastructures : Schneider-Electric, ABB France, Alstom Grid, Honeywell, Leroy-Somer, etc. Leur chiffre d’affaires France en 2010 était de 11,7 milliards d’euros.