Combler les lacunes - Intégrer efficacement les capteurs dans les logiciels de gestion des actifs pour le marché des services publics d’électricité

Les compagnies de services publics d’électricité reconnaissent la valeur des capteurs et des données qu’ils fournissent pour assurer un service fiable et rentable. Bien que les avantages des capteurs de surveillance de l’état soient bien établis pour ce qui est de fournir les données nécessaires à une maintenance proactive, de nombreux services publics ne disposent pas de tels systèmes sur 100 % de leurs équipements.

Les services publics d’électricité peuvent résoudre les problèmes d’incompatibilité entre les systèmes de capteurs et le manque de programmeurs IIoT qualifiés grâce à une solution de surveillance des conditions qui facilite l’intégration de différents capteurs, sans qu’aucun codage ne soit nécessaire. Une telle solution peut se connecter à n’importe quel système de son choix, comme OSI PI Historian et OPC UA, pour enregistrer et analyser les données chronologiques provenant de divers capteurs. En reliant ces capteurs à des ressources logicielles et matérielles innovantes, on dispose d’un moyen simple et efficace de regrouper les données relatives à l’état des actifs importants afin d’améliorer la connaissance situationnelle et de fournir une aide à la décision pour assurer le fonctionnement continu des opérations, réduire les coûts de maintenance et améliorer la productivité, la fiabilité et la sécurité.

BESOINS DES SERVICES PUBLICS D’ÉLECTRICITÉ ET DÉFIS AUXQUELS ILS SONT CONFRONTÉS

Les services publics d’électricité doivent respecter plusieurs impératifs commerciaux :

• Améliorer la sécurité et la fiabilité
• Intégrer de nouvelles sources d’énergie et de nouveaux modèles de consommation
• Moderniser le réseau de services publics

Ils font également face à une longue liste de défis à relever :

• Intégration à l’ancien équipement
• Retraite d’inspecteurs qualifiés
• Accès aux actifs et aux données de production
• Risques pour la sécurité
• Infrastructure vieillissante
• Gestion et sécurisation d’applications et de réseaux propriétaires en silos coûteux.
• Expertise en gestion des données, des réseaux et de la sécurité

L’une des façons dont les services publics d’électricité peuvent résoudre ces problèmes est l’utilisation d’une passerelle de périphérie de réseau IIoT conçue spécialement pour les environnements industriels.

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INSPECTIONS PONCTUELLES PÉRIODIQUES

Compte tenu de l’âge de l’infrastructure existante, il n’est pas surprenant qu’un grand nombre de services publics d’électricité aient peu de capteurs intégrés ou n’en aient pas du tout. Des inspections sont effectuées périodiquement, généralement par des équipes internes munies de capteurs portatifs, dans le cadre d’une maintenance prédictive de routine. Le délai pour de telles inspections ponctuelles varie, mais il peut ne s’agir que d’une ou deux fois par année.

La sécurité est importante pour les techniciens qui effectuent des inspections au moyen d’appareils portatifs. Il y a peu de techniciens qualifiés pour réaliser de telles inspections et il peut être dangereux de marcher dans les stations de transmission à haute tension.

Les équipes d’inspection utilisent souvent des caméras d’imagerie thermique portatives pour inspecter les systèmes. Ils enregistrent les données pendant l’inspection, puis les téléversent ultérieurement pour la transmission. Une fois les données reçues et examinées, l’équipe générera un rapport d’inspection qui peut prendre jusqu’à une semaine selon le nombre de systèmes examinés.

Les images suivantes sont des exemples de problèmes découverts lors des inspections ponctuelles à l’aide de caméras d’imagerie thermique portatives :

Fusible grillé (deuxième à partir de la gauche) (Réf.  : Inframation Conference Archives – Infrared Training Center (ITC))

Ventilateur de transformateur défectueux (AR2) (Réf. : Inframation Conference Archives – Infrared Training Center (ITC))

Robinet à clapet du radiateur fermé (Réf. : FLIR)

La détection précoce des défauts lors des inspections périodiques de routine se traduira par un gain de temps et une réduction des coûts de maintenance et de réparation, surtout si elle permet d’éviter des temps d’arrêt imprévus. La détection et la réparation de ces problèmes améliorent la fiabilité et la sécurité du service électrique.

Les avantages de l’identification et de la correction des défauts avant qu’ils ne deviennent des défaillances sont illustrés dans l’exemple suivant. L’image de droite montre un transformateur de tension défectueux à l’intérieur d’un disjoncteur. Si une caméra d’imagerie thermique avait été utilisée pour inspecter le transformateur avant que ne survienne la défaillance, le coût de réparation aurait été limité au remplacement du transformateur, avec un jour de temps d’arrêt. Cependant, la défaillance réelle a entraîné le coût du remplacement du transformateur et du disjoncteur, ainsi que des coûts de main-d’œuvre et de construction supplémentaires du site, avec une panne de huit jours. Ce cas illustre le fait que des défaillances risquent de se produire entre les tests programmés et qu’elles se produiront effectivement.

Disjoncteur avec panneaux grillés

Transformateur de tension défectueux à l’intérieur d’un disjoncteur

Selon les résultats et les rapports des inspections ponctuelles, la gravité des problèmes ou des événements identifiés peut être classée comme suit :

• Critique – nécessite une attention immédiate avec l’option de mettre l’équipement hors service
• Sérieux – évaluer dès que possible et augmenter la fréquence des inspections
• Intermédiaire – maintenir la fréquence actuelle des inspections

Des contrôles ponctuels périodiques à l’aide de capteurs portatifs permettent aux problèmes de se développer et de s’aggraver entre deux inspections. Évidemment, plus tôt un problème est détecté et signalé, plus tôt les travaux de réparation peuvent commencer pour éviter les pannes imprévues. L’augmentation de la fréquence des inspections périodiques réduira la fenêtre de possibilités de défaillance, mais le potentiel de défaillances catastrophiques existe toujours.

SURVEILLANCE DE L’ÉTAT

La façon la plus efficace de raccourcir le temps entre l’apparition d’un problème et la découverte de celui-ci est d’installer des capteurs fixes qui fonctionnent continuellement. L’installation de caméras de surveillance des conditions thermiques fonctionnant en continu permet d’enregistrer des données sur la température, par exemple, de manière continue plutôt que sous forme d’instantanés périodiques ponctuels. L’examen et la révision des données rapportées permettraient à l’opérateur du service public de prendre conscience des problèmes et des défaillances potentielles avant que la prochaine inspection ponctuelle ne les révèle.

La surveillance de l’état offre plusieurs avantages par rapport aux inspections ponctuelles périodiques :

• Permet à l’opérateur de services publics de trouver les problèmes plus rapidement et de réagir plus rapidement
• Améliore la connaissance situationnelle et permet aux services publics d’être proactifs en matière de réparation, en entretenant l’équipement avant qu’une situation ne devienne catastrophique
• Permet une maintenance prédictive qui préserve la productivité et l’intégrité de la planification.
• Réduction des temps d’arrêt et des pannes de courant.
• Économise de l’argent : il est beaucoup moins coûteux de résoudre la plupart des problèmes avant qu’une panne ne se produise (on estime que, pour les services publics, les coûts de réparation ne représentent qu’environ 1 à 2 % du coût total de la défaillance).

Les capteurs de caméra thermique de surveillance de l’état offrent de multiples avantages

• Méthode de mesure efficace et sécuritaire
• Mesure de la température sur une grande surface, sans contact, à plusieurs composants, précise et hautement sécurisée.
• Données et images transmises en temps réel, et non en heures ou en jours

Cependant, équiper une infrastructure vieillissante de tels capteurs n’est qu’une partie du problème auquel est confronté le secteur des services publics d’électricité. L’accès aux données et leur intégration représentent un défi majeur. Les capteurs doivent être connectés à un logiciel sur un réseau informatique pour extraire et analyser les données recueillies.

La connexion des capteurs à des systèmes tels que OSI PI Historian ou OPC UA permet au service public d’avoir accès aux données chronologiques qui ont été enregistrées. Les services publics peuvent ne pas avoir suffisamment d’employés possédant les compétences particulières requises et doivent donc faire appel à des conseillers techniques.

L’installation de capteurs intelligents, qui interprètent et analysent les données, fournit aux services publics d’électricité des données de surveillance de l’état plus avancées Les capteurs intelligents permettent à l’utilisateur de surveiller à tout moment l’état des appareils électriques, des moteurs ou des postes électriques. N’ayant pas besoin d’attendre qu’on procède à l’interprétation des données, les capteurs déclenchent une alarme (cloche ou klaxon) ou amorcent un processus de mise en arrêt. Une telle surveillance de l’état peut recueillir, traiter et analyser les données, puis agir en conséquence.

Avec une main-d’œuvre qualifiée vieillissante qui part à la retraite, les services publics ont besoin de systèmes tels que celui-ci pour obtenir un meilleur aperçu de l’état plutôt que de se contenter de simplement recueillir des données. Pour être plus rentables, ils ont besoin d’aller de l’avant dans la mise en œuvre de l’automatisation de la collecte et du traitement des données.

Actuellement, les capteurs intelligents ne représentent qu’une petite partie du nombre total de capteurs utilisés dans le secteur des services publics d’électricité. Par rapport à l’imagerie thermique, presque toutes les caméras sont des appareils portatifs utilisés pour les inspections ponctuelles. Malgré les avantages qu’offre une surveillance continue de l’état, les inspections ponctuelles périodiques demeurent la forme la plus courante de maintenance préventive. Ils sont relativement peu coûteux et constituent la méthode d’inspection la plus rentable pour les actifs électriques de moins de 2,5 kV (Réf. : Mission Critical Magazine, 4-16-2021). Toutefois, compte tenu du vieillissement de l’infrastructure des compagnies de services publics d’électricité et du coût des pannes imprévues du point de vue du mécontentement des clients et des sanctions financières, cette situation pourrait changer. L’utilisation de capteurs de surveillance de l’état sur certains des équipements les plus critiques peut être plus logique sur le plan financier.

L’impact du recours à la surveillance de l’état, plutôt qu’à des inspections ponctuelles (ou à une maintenance préventive basée sur le temps) ou à un fonctionnement jusqu’à la défaillance (ou à une maintenance réactive), est illustré dans la figure suivante. L’objectif de la maintenance préventive est de minimiser les défaillances en gardant l’équipement en bon état. Si la prévention des défaillances permet de réduire les coûts, il peut être difficile de déterminer l’intervalle des inspections qui soit le plus approprié. La maintenance réactive permet de réduire les coûts de réparation ou de remplacement de l’équipement, y compris les temps d’arrêt éventuels, mais il n’y a pas de fréquence d’inspections à prendre en compte. La surveillance de l’état génère des données en continu, ce qui permet à l’opérateur d’observer les tendances et de connaître immédiatement les problèmes de l’équipement. Elle réduit les coûts et augmente le temps de disponibilité de l’équipement (Réf. : AIChE, SCEP, août 2017).

Impact de la surveillance de l’état sur les coûts de maintenance et de réparation

UTILISATION DE CAPTEURS DANS LES SERVICES PUBLICS D’ÉLECTRICITÉ

Les caméras d’imagerie thermique peuvent détecter de très petites différences de température en recueillant le rayonnement infrarouge, puis créer une image électronique en utilisant différentes couleurs pour montrer ces différences de température. Certains exemples d’imagerie thermique ont déjà été discutés. De plus, ces capteurs peuvent être utilisés pour rechercher des connexions électriques desserrées ou corrodées, des fuites de tension, etc. À mesure que la résistance s’accumule, la chaleur s’accumule et l’usure accélérée au point de connexion peut endommager l’équipement. Les capteurs IR peuvent révéler une mauvaise isolation dans les structures, ce qui entraîne un gaspillage de chaleur par temps froid et des coûts de climatisation supplémentaires par temps chaud.

Les capteurs d’analyse des gaz dissous (AGD) sont utilisés pour surveiller l’état de fonctionnement des transformateurs électriques en examinant les contaminants de l’huile au moyen de la chromatographie en phase gazeuse. Les matériaux isolants libèrent des gaz lorsqu’ils se décomposent au fil du temps. Leur composition et leur répartition indiquent le niveau et la gravité de la situation. L’AGD devrait faire partie d’un programme de maintenance préventive afin de déterminer les défauts imminents et d’éviter les défaillances des transformateurs d’alimentation.

Les capteurs de vibration, aussi appelés capteurs piézoélectriques ou accéléromètres, mesurent la quantité et la fréquence des vibrations dans un système donné. Ils recherchent des changements qui indiquent des conditions qui pourraient entraîner une défaillance de la machinerie (comme des roulements ou des boîtes d’engrenages qui commencent à tomber en panne).

Les capteurs de courant (également appelés transformateurs de courant ou TC) sont utilisés pour vérifier le flux de courant électrique dans un fil ou un système, pour reconnaître si le courant est trop élevé ou trop bas et pour déclencher des systèmes de commande ou des alarmes au besoin.

Les capteurs de tension sont utilisés pour surveiller ou mesurer l’alimentation de tension et calculer la consommation d’énergie sur les circuits. Ils peuvent détecter les charges et les défauts, contrôler la demande en électricité et détecter les pannes de courant.

Les capteurs de défaut de mise à la terre détectent les défauts de mise à la terre de faible amplitude (ruptures dans le parcours de la mise à la terre à faible résistance d’un système électrique, le courant pouvant emprunter un autre chemin, par exemple en passant à travers le corps d’un opérateur humain). Ils protègent les personnes contre les blessures graves ou la mort, ou protègent les équipements contre les dommages, en déclenchant une alarme ou en arrêtant l’équipement par le débranchement du circuit.

Les capteurs météorologiques, comme les capteurs de vitesse relative de l’air (anémomètres) et les capteurs d’humidité (hygromètres), jouent également un rôle.

Les caméras vidéo peuvent fournir des informations critiques qui sont téléversées sur les réseaux informatiques. En orientant une caméra vidéo sur un actif particulier, les jauges peuvent être lues à distance et les commutateurs peuvent être visualisés pour confirmer qu’ils sont en position ouverte ou fermée. La sécurité des employés est améliorée en réduisant le besoin d’accès physique aux installations éloignées tout en fournissant des données essentielles. Le dispositif de détection de mouvement peut enregistrer les dommages aux systèmes causés par des facteurs environnementaux. L’examen visuel d’un problème avant d’arriver sur un site distant permet de mettre en place une solution mieux préparée. (Réf. : Archives de Inframation Conference – Infrared Training Center (ITC)).

Par exemple, un tel examen tient compte de l’impact que les conditions météorologiques peuvent avoir sur les réseaux électriques. En recourant à la surveillance de l’état du réseau, les capteurs peuvent fournir au service public des informations suffisantes pour lui permettre de résoudre les problèmes de manière proactive, avant qu’ils ne surviennent. De cette façon, les conditions météorologiques sont moins susceptibles de causer des problèmes et des pannes, car le réseau est en bonne santé. Bien que les tempêtes majeures et violentes, telles que les ouragans, puissent détruire l’infrastructure, quelle que soit la solidité du réseau, la surveillance de l’état de l’infrastructure permet aux services publics de hiérarchiser les ressources pendant le processus de réparation. Il est possible de visualiser à distance les dommages aux superstructures des centrales électriques causés par les tempêtes, le vent et les débris, ce qui permet de protéger les inspecteurs contre d’éventuels accidents.

Enfin, des capteurs peuvent être utilisés pour protéger l’infrastructure électrique des actes de vandalisme. Les caméras thermiques de sécurité, les caméras de sécurité visuelles, les capteurs de secousses de clôture, les radars et autres capteurs de sécurité peuvent être utilisés pour avertir de tout accès non autorisé à un site.

Considérez l’exemple suivant, qui fait partie du programme Smart Grid Investment Grant (SGIG) lancé par le département de l’Énergie des États-Unis en 2009 (Ref: DOE, Distribution Automation: Results from the SGIG Program, September 2016). Pour trois des entreprises de services publics participant au programme de subventions qui ont installé des réseaux intelligents, l’amélioration en pourcentage de l’indice de fréquence d’interruption moyenne du système (SAIFI, pour System Average Interruption Frequency Index) par rapport à la situation de départ avant le déploiement est indiquée ci-dessous. L’utilisation de capteurs intelligents a réduit la fréquence des interruptions du service électrique.

Pourcentage d’amélioration de la réduction des interruptions de service attribuées aux capteurs intelligents

Une deuxième illustration du même programme SGIG montre l’impact de l’utilisation d’interrupteurs intelligents et de compteurs intelligents dans le réseau. Après une tempête de vent, ces pratiques ont permis de rétablir l’électricité bien plus rapidement pour les clients touchés, comme le montre le graphique ci-dessous. Le courant a été rétabli presque instantanément pour près de la moitié des clients du service public, car les commutateurs intelligents ont transféré la charge vers des circuits non affectés, ce qui a permis aux équipes de se concentrer sur les autres clients et de rétablir leur courant beaucoup plus rapidement.

Heures de panne évitées par la mise en œuvre de la technologie intelligente

COMMENT POUVONS-NOUS CONNECTER RAPIDEMENT ET EFFICACEMENT CES CAPTEURS EN UN SEUL RÉSEAU?

Si le service public d’électricité n’utilise pas déjà des capteurs intelligents et la surveillance de l’état sur les lieux, quels sont les problèmes et les obstacles auxquels il est confronté? Peut-être que, malgré tous ses avantages, la mise en œuvre de la surveillance de l’état est trop coûteuse. Ils pourraient ne pas être en mesure de justifier les coûts supplémentaires liés à l’installation de capteurs intelligents, à leur intégration aux capteurs, logiciels et réseaux informatiques existants, et à la formation des opérateurs, sur la base de la technologie actuellement disponible.

Cependant, de nouvelles technologies deviennent disponibles pour répondre à ce scénario. Avant de prendre de telles mesures, il est important que les services publics répondent aux questions suivantes :

• Accumulation de données – recueillons-nous les données dont nous avons besoin?
• Traitement des données – à quelle fréquence et à quelle vitesse analysons-nous les données et y réagissons-nous comme il se doit?
• Pouvons-nous accumuler plus de données pour améliorer notre rendement global, notre efficacité, notre productivité, notre rentabilité, notre sécurité, notre qualité et notre fiabilité?
• Si nous avons besoin de plus de données et de plus de capteurs, comment pouvons-nous y arriver simplement? Pour certains services publics d’électricité, les réponses pourraient ressembler à ce qui suit :
• Les systèmes existants peuvent recueillir des données à partir de nombreux types de capteurs, traduire ces données sous une forme exploitable par notre système de gestion des actifs et fournir un retour d’information aux systèmes de contrôle des équipements locaux.
• Les entreprises recueillent des données de l’équipement dans des « lacs de données »–, soit dans les installations, soit dans le nuage
• Ces données sont analysées à l’aide d’un logiciel avancé, qui est utilisé pour améliorer les performances, réduire les coûts de maintenance et les dépenses d’investissement.

La plus grande difficulté à laquelle sont confrontées les entreprises de services publics est l’intégration des données issues de multiples capteurs (en particulier ceux qui ne sont pas des capteurs intelligents) provenant de divers fournisseurs dans leur propre plateforme logicielle.

Plusieurs aspects doivent être pris en compte afin de relier ces capteurs en un seul réseau (Ref: DIANOMIC, Edge 4.0 Features, Function and Business Requirements, 8-02-2021) :

• Acquisition de données universelles – les services publics doivent acquérir des données à partir de tous les actifs, quel que soit le fabricant, le fournisseur de nuage ou les outils logiciels, qu’il s’agisse d’outils existants ou d’achats futurs
• Intégration de données universelles – les services publics doivent accepter, filtrer et traiter tous les ensembles de données, quel que soit leur format, pour les systèmes anciens, actuels et futurs
• Migration des données et convergences TO/TI – une fois que le service public a réussi à acquérir et à intégrer des données, cette étape a été accomplie, ce qui permet à l’entreprise de travailler avec des données provenant à la fois des anciens et des nouveaux systèmes au fur et à mesure de leur modernisation.
• Méthodes d’intégration multinuagique/nuagique hybride/multiple – la solution doit pouvoir fonctionner avec tous les fournisseurs de nuages, tout en assurant la sécurité appropriée et en permettant la communication entre les fournisseurs

• Intégration internuagique – la solution doit également permettre une communication rapide et fiable entre les fournisseurs de services en nuage et entre les dispositifs en nuage et les dispositifs dans les installations.
• Plusieurs types de données – la solution doit détecter, traiter et intégrer différents types de données chronologiques, de données de vibration, de vidéos, de données radiométriques thermiques, etc.
• Cycles de vie AA/AI basés sur la périphérie distribuée – doit être capable de recueillir des données de plusieurs types en parallèle, et de les envoyer à l’outil d’analyse approprié Développement d’applications sans code/à faible code/à code source – la solution doit tenir compte des différentes compétences des ingénieurs, des responsables de l’exploitation, de la maintenance, de l’informatique et de la direction, afin de permettre à tous les paliers d’utiliser le système.
• Gestion des passages à plus grande échelle et à plus petite échelle – elle doit gérer différentes applications et configurations de périphérie, différents actifs et sources de données, tout en assurant le contrôle du système
• Pas de verrouillage des fournisseurs – une source ouverte offre la possibilité de communiquer à travers divers équipements, nuages et méthodologies.

UNE SOLUTION EST DISPONIBLE AUJOURD’HUI

Le FLIR Bridge est une passerelle en périphérie de réseau IIoT qui fournit une solution globale, reliant des capteurs tiers de différents fabricants à un réseau industriel commun – la première solution de ce type dans l’industrie. Le Bridge effectue les tâches suivantes :

• Recueillir
• Transformer
• Informer

Le Bridge recueille les données de plusieurs capteurs en un seul concentrateur. Il existe d’autres appareils concurrentiels qui offrent des passerelles en périphérie de réseau. Cependant, ils ne recueillent que des données à partir de leurs propres capteurs. BRIDGE recueille des données à partir des caméras FLIR à capteurs intelligents et d’autres types de capteurs, et il reconnaît automatiquement ces capteurs/caméras sur un réseau partagé.

Le Bridge transforme les données des capteurs entrants en recourant à de puissants outils d’analyse pour créer des alarmes et des alertes à la périphérie. Les outils d’analyse comprennent des logiciels intégrés ainsi que des codes personnalisés et des modèles d’apprentissage automatique personnalisés. Il fournit une sortie très flexible qui comprend des données traitées, des données brutes ou une combinaison des deux en simultané.

Le Bridge fournit des informations en rendant possible la communication entre plusieurs capteurs et plus de 20 systèmes de surveillance des actifs industriels courants, y compris les plateformes logicielles de surveillance des conditions standard de l’industrie telles que OSI PI Historian et OPC UA. Il offre un acheminement flexible des données et des rapports pour optimiser l’aide à la décision, en fournissant simultanément des données à plusieurs destinations dans les installations et dans le nuage.

Le graphique suivant illustre le fonctionnement d’une passerelle en périphérie de réseau IIoT, qui recueille des données provenant de caméras thermiques et d’autres capteurs, les transforme en appliquant des outils d’analyse, et informe l’utilisateur en communiquant les résultats à divers systèmes de surveillance des actifs.

CONCLUSION

Les services publics d’électricité ont besoin de continuer à fournir de l’énergie. Les perturbations de l’alimentation électrique ont des répercussions importantes, tant en termes de satisfaction des clients que de sanctions financières. La maintenance de l’équipement des services publics est primordiale, les inspections et la surveillance y jouant un rôle clé. Une maintenance proactive entraîne des coûts de réparation beaucoup moins élevés que si l’on attendait que se produise une panne imprévue.

Les services publics d’électricité passent aux systèmes de surveillance avec des capteurs d’imagerie thermique fixes plutôt que d’effectuer des inspections ponctuelles périodiques avec des caméras portatives. Cela permet d’analyser des données qui circulent en permanence au lieu d’analyser un seul instantané ponctuel obtenu sur une base périodique.

Les services publics ont besoin de caméras thermiques intelligentes et d’autres capteurs pour surveiller en permanence les fuites de tension, les dégâts causés par les tempêtes et les autres perturbations du service. L’objectif est d’aider les installations, les centrales électriques et les postes électriques à améliorer l’efficacité, à optimiser les performances et à éviter les défaillances inattendues grâce à la surveillance de l’état

Il est essentiel d’obtenir des données fiables à partir d’une variété de types de capteurs et de les intégrer dans un réseau de manière sûre et facile, sans avoir à consacrer du temps et de l’argent à un codage compliqué.

Une nouvelle technologie est disponible qui peut facilement intégrer les données de n’importe quel capteur dans le système de gestion des actifs des services publics. Elle traitera les données des capteurs intelligents et des données brutes des capteurs « non intelligents », ce qui rendra la communication possible. Cette passerelle en périphérie de réseau optimise l’aide à la décision en fournissant des données en temps réel sur une base continue.