Pour de nombreuses personnes, l’eau potable va de soi. Les consommateurs peuvent compter sur un approvisionnement fiable en eau potable et sur le traitement sûr des eaux usées, grâce à des stratégies réseau intelligentes comme celles de l’Université Technique (TU) de Berlin. Celle-ci étudie des concepts innovants dans un environnement réaliste à l’aide du digital twin d’une station de pompage.

Partout sur la planète, les ressources naturelles sont mises à mal par l’urbanisation et le changement climatique. Prenez Berlin par exemple : depuis 2000, la ville a vu sa population augmenter de près de 300 000 habitants pour atteindre 3,6 millions aujourd’hui, soit une croissance de 10 % en à peine 20 ans. Elle pourrait encore accueillir 200 000 personnes supplémentaires d’ici 2030. Cette augmentation peut sembler modeste par rapport à l’explosion démographique dans les mégapoles asiatiques, mais la pression se fait déjà sentir sur les ressources en eau de la ville.

 

Approvisionnement en eau : un défi mondial

Par ailleurs, le réchauffement climatique entraîne des vagues de chaleur et de sécheresse toujours plus nombreuses et intenses, et multiplie les épisodes de fortes pluies. « Les périodes de sécheresse favorisent la corrosion et les émissions malodorantes dans les réseaux d’eaux usées. Les pluies torrentielles peuvent inonder les égouts, entraînant le rejet d’effluents pollués dans l’environnement », explique le professeur Paul Uwe Thamsen, directeur du Département de dynamique des fluides à l’Institut de dynamique des fluides et d’acoustique de l’Université de Berlin.

Utilisation optimale des infrastructures grâce à la digitalisation

« Nos recherches visent à améliorer l’exploitation des systèmes et installations dans le secteur de l’eau en Allemagne, et à Berlin en particulier, pour aider les systèmes existants à fonctionner de manière plus flexible et efficace », explique le professeur Thamsen.  La digitalisation permet, par exemple, de fournir des outils puissants aux systèmes de réseau et d’étayer de nouvelles approches de l’analyse des données dans le cadre de l’exploitation et de la maintenance. Le professeur Thamsen et son équipe étudient actuellement certaines de ces approches en utilisant une installation de démonstration d’une station de pompage, complétée par un digital twin.

Du virtuel au réel : à gauche, la représentation digitale d’un modèle de démonstration de station de pompage des eaux usées à la TU Berlin ; à droite, l’installation réelle.

Transformer la digitalisation en une expérience pratique 

Siemens est un partenaire important, qui propose des solutions innovantes pour soutenir l’installation de démonstration. « C’est particulièrement vrai lorsque l’on veut démontrer les avantages de la digitalisation dans des applications spécifiques. Les connaissances dans des domaines comme la recherche, l’ingénierie des installations et l’automatisation, associées à l’expertise des opérateurs, sont une source d’inspiration et d’idées pour transformer la digitalisation en expérience pratique », affirme Markus Lade, General Manager chez Siemens AG Allemagne, Global Head of Water/Waste Water Vertical. 

« Les systèmes mixtes sont typiques des installations existantes, aussi bien dans l’industrie de l’eau que dans d’autres secteurs. Notre objectif est d’intégrer tous ces systèmes différents dans un environnement uniforme à l’aide du portefeuille de digitalisation de Siemens. »
Professeur Paul Uwe Thamsen, TU Berlin

Digitalisation et automatisation cohérentes

Siemens s’emploie à implémenter une solution complète de digitalisation et d’automatisation qui comprend la digitalisation et l’inventaire des équipements, l’instrumentation de procédé, l’alimentation électrique, la communication industrielle et la sécurité, la gestion des pompes et moteurs, le système de conduite de procédé ainsi que les systèmes d’ingénierie et de simulation des installations.

L’objectif final est de créer un environnement digital unique réunissant toutes les informations de la station de pompage, de la conception à l’exploitation et à la maintenance, y compris des systèmes partiellement autonomes pour la détection et la levée des pannes. Le digital twin montre comment l’échange de données bidirectionnel entre l’ingénierie de process avec Comos et le contrôleur Simatic PCS 7 garantit l’actualisation permanente des informations tout au long de la phase d’exploitation.

Une collaboration basée sur un partenariat pour illustrer les avantages de la digitalisation dans des applications spécifiques : professeur Paul Uwe Thamsen et Markus Lade.

Le digital twin réunit toutes les données de l’installation

Au début du projet, tous les composants physiques de l’installation ont été capturés avec le logiciel ContextCapture de Bentley par un procédé de photogrammétrie et compilés dans un modèle 3D. Ce dernier a été chargé dans PlantSight, où il a été intégré avec d’autres données pour créer un digital twin de l’installation de démonstration.

« C’est une étape cruciale », souligne le professeur Thamsen. « Elle nous permet de montrer que la digitalisation n’est pas uniquement réservée à quelques nouveaux projets, mais qu’elle peut aussi s’utiliser avec succès dans des installations existantes. » Les données du modèle sont actuellement reliées au contrôleur Simatic PCS 7 afin de créer un digital twin complet comprenant toutes les données d’ingénierie et d’exploitation de l’installation d’un bout à l’autre de son cycle de vie.

Les applications montrent des avantages tangibles

L’intégration d’outils intelligents dans l’installation de démonstration a permis au professeur Thamsen d’implémenter les premiers concepts innovants. Il est possible, par exemple, d’analyser les profils de puissance et de tension, localement ou dans le cloud, avec le système de gestion de moteur Simocode. Le modèle dans PlantSight et des algorithmes basés sur le cloud permettent également d’exploiter le potentiel d’optimisation offert par les données de l’installation. Les opérateurs peuvent ainsi identifier et éliminer proactivement les erreurs qui surviennent typiquement dans les stations de pompage.

Une des applications cible le colmatage des pompes par des résidus de fibres qui viennent s’emmêler dans les tourbillons d’eaux usées et s’accumulent au niveau de la roue, provoquant, dans le pire des cas, le blocage de la pompe. « Avec le digital twin, nous pouvons détecter le colmatage en nous basant sur des paramètres d’exploitation et nettoyer la pompe en la faisant tourner à l’envers », explique le professeur Thamsen.

Déploiement rapide dans l’industrie

Comme l’installation de démonstration utilise des composants industriels qui sont aussi employés dans de nombreuses stations de traitement des eaux usées, le déploiement de nouvelles solutions dans l’industrie s’en trouve accéléré. « Nous pouvons nous servir de notre installation pour illustrer comment les solutions s’intègrent dans un environnement industriel et montrer les résultats en direct sur le modèle de démonstration. Cela raccourcit les délais de commercialisation des innovations », précise le professeur Thamsen, ajoutant que « Ce que nous avons ici n’est pas simplement un modèle de démonstration. C’est une véritable installation industrielle à petite échelle, équipée d’un système de conduite de procédés, d’entraînements et d’une série de capteurs et d’actionneurs. Notre digital twin nous permet de montrer à quoi ressemble la digitalisation dans la pratique et de rendre cette matière complexe plus accessible, notamment pour les opérateurs et les techniciens de maintenance. C’est pourquoi ce projet constitue réellement une nouvelle étape vers l’Eau 4.0 ! »

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