Les réseaux industriels sont cruciaux pour le bon fonctionnement des usines. Avec des milliers de points d'extrémité regroupés pour le contrôle et la surveillance, fonctionnant souvent dans des environnements difficiles, le réseau industriel est caractérisé par des exigences strictes en matière de connectivité et de communication.
Les protocoles du réseau industriel sont les fondations de la communication entre les dispositifs qui y sont reliés. De plus, un grand nombre de protocoles des réseaux spécifiques à l'industrie ont été développés au cours des dernières décennies, chacun pour un environnement et des objectifs spécifiques. Le tableau ci-dessous présente les domaines d'application clés et l'abondance de protocoles disponibles actuellement au sein de ces domaines. L'émergence de l'Internet Industriel des Objets (IIoT) et les nouvelles possibilités de connectivité sans fil et Ethernet font évoluer l'univers des protocoles. Une nouvelle valeur liée à l'intégration des clouds d'entreprises publiques et privées, des systèmes opérationnels et des domaines professionnels, présente de nouvelles opportunités d'harmonisation des protocoles dans les environnements industriels.
Dans cette présentation générale, nous examinons les protocoles clés utilisés dans les environnements industriels et évaluons les tendances émergentes établissant l'évolution de ces protocoles, afin de prendre en charge la prochaine génération de configurations industrielles.
Le réseau industriel
Les diverses couches d'acquisition et d'agrégation de données dans le réseau de communication industriel sont essentielles pour l'ensemble des protocoles industriels. Les réseaux classiques des configurations industrielles possèdent quatre couches :
1. Couche de terrain : cette couche est constituée d'un grand nombre de nœuds de capteurs, transducteurs et actionneurs. Les nœuds de capteurs/transducteurs recueillent généralement les informations environnementales ou de contrôle des processus qu'ils relaient aux contrôleurs ou à un système de surveillance. Les actionneurs implémentent les instructions reçues de la part des contrôleurs en tant qu'actions motrices physiques dans l'équipement de terrain.
2. Couche de contrôle : les automates, pouvant être dispersés ou centralisés, agrègent les données du capteur/de l'actionneur et les transmettent aux systèmes de contrôle des usines à plus grande échelle. Les automates programmables (PLC) ou les systèmes numériques de contrôle-commande (DCS) fournissent également un contrôle local, généralement pour des ensembles de domaines spécifiques de l'usine. Ils exécutent divers types d'instructions en lien avec les machines ou les processus telles que le circuit logique, le séquençage, le chronométrage, le comptage et l'arithmétique, afin d'effectuer des contrôles via des modules numériques ou analogiques.
3. Couche de surveillance : cette couche comprend les systèmes de contrôle d'usine avec interfaces homme-machine afin de diriger le fonctionnement de l'usine. Les systèmes de contrôle et d'acquisition de données (SCADA) fournissent des rapports aux opérateurs humains, offrent une surveillance à distance continue des alertes et permettent une vision complète du système entièrement géré. Les fonctions clés de cette couche comprennent également le traitement et l'enregistrement des données, ainsi que l'historique des tendances.
4. Couche d'exécution et de planification : s'occupe de l'exécution de la fabrication et de l'ingénierie. La programmation des ressources et équipements, la définition d'emploi des travaux en cours et la planification du fonctionnement général sont effectuées et exécutées par le système industriel d'exécution (MES). Cette couche représente l'interface entre les priorités d'entreprise et les systèmes opérationnels. Au sein de cette couche, les fonctions associées à l'entreprise et la planification, telles que la planification de la demande, l'acquisition, la gestion prévisionnelle et l'inventaire, sont des fonctions cruciales dirigées par les progiciels de gestion intégrés (ERP).
Les exigences des protocoles et de la connectivité varient selon la hiérarchie du réseau, en fonction des besoins de l'application, des exigences de fiabilité, de la bande passante, etc. Le choix du protocole se fait via la prise en considération de plusieurs facteurs :
• Puissance du point d'extrémité : les points d'extrémités, constitués de capteurs et d'actionneurs, sont cruciaux pour le système de contrôle d'usine et doivent être constamment alimentés. L'alimentation par batterie et celle sur secteur sont utilisées. Étant donné que certains protocoles consomment plus d'énergie que d'autres, l'accès à l'alimentation peut éliminer ou simplifier leur utilisation. Par exemple, le Wi-Fi nécessite beaucoup de puissance et ne convient généralement pas aux nœuds distants alimentés par batterie. De plus, le coût d'un remplacement fréquent de batterie peut s'avérer prohibitif.
• Câblage : les usines modernes peuvent s'étaler sur plusieurs kilomètres carrés. L'installation de câbles sur de longues distances pour connecter tous les points d'extrémité est généralement très coûteuse. Le problème peut s'intensifier lorsque des nœuds de capteurs sont difficiles d'accès, comme un capteur de CO2 sur un conduit. Les protocoles sans fil s'adaptent mieux à de tels besoins lorsque les exigences d'alimentation peuvent être efficacement remplies. De plus, les points de contrôle intermédiaires (PLC) peuvent être placés plus près des points d'extrémité afin de faire des économies de câblage. Les protocoles étant souvent différents entre la couche de contrôle et celle des capteurs, le choix d'un protocole peut être impacté par le degré de contrôle intermédiaire de l'usine.
• Conditions de fonctionnement : l'infrastructure et les équipements industriels sont souvent exposés aux éléments et aux environnements corrosifs. De plus, la sécurité et la tolérance aux dangers sont strictes et nécessitent une attention particulière. Les protocoles pouvant supporter les exigences de ces environnements, sans compromettre la fiabilité des communications, sont cruciaux. Les plages de température de fonctionnement optimales, l'impact des vibrations et du bruit, les risques d'interférence et l'impact de l'humidité sur la détérioration sont des facteurs importants du choix d'un protocole.
• Taux de perte des paquets : certains protocoles sont plus résistants que d'autres lorsqu'il s'agit d'assurer une dégradation minimale des données causée par des soucis de transmission, tels qu'un encombrement, des erreurs sur les bits ou une mauvaise connectivité. Tandis que certaines pertes de données ne sont pas néfastes pour des applications ou des nœuds non cruciaux, certaines applications critiques, telles qu'un cœur de réacteur, nécessitent une transmission sans perte de données.
• Débit : le type et la taille des transmissions de données peuvent avoir un très grand impact sur le choix de protocole. Des données binaires simples transmettant un statut allumé/éteint peuvent s'accommoder de protocoles à faible coût et faible débit. Cependant, des données images provenant de caméras nécessitent des protocoles autorisant des volumes de données bien plus élevés.
• Temps réel/déterministe : certaines applications industrielles ne peuvent pas tolérer le moindre délai de communication. Les protocoles ne se faisant pas en temps réel et ne pouvant pas assurer que les paquets de données seront délivrés immédiatement ne répondent tout simplement pas aux exigences. Cette réflexion est souvent mentionnée pour expliquer qu'il ne faut pas utiliser de protocoles informatiques classiques tels que TCP/IP dans les configurations industrielles.
• Plage, charge et architecture réseau : la distance que les données doivent parcourir sur le réseau, le nombre de nœuds du réseau et l'architecture du réseau elle-même peuvent faire la différence lors du choix d'un protocole. L'encombrement du réseau, le débit et la perte de données peuvent devenir importants au sein de certaines architectures de réseaux. Choisir le mauvais protocole peut faire toute la différence entre une usine efficace et une usine à problèmes.
• Sécurité : les réseaux industriels ont besoin de protections contre les menaces, qu'elles soient malveillantes ou non intentionnelles. Contrairement aux pannes de sites Web et autres systèmes IT, une violation de la sécurité n'impacte pas uniquement les finances et la réputation. La sécurité humaine et la sécurité nationale peuvent être mises en danger lorsque des réseaux sans protection adaptée, comme le cryptage, sont compromis.
• Flexibilité et extensibilité : un autre facteur important est le degré de flexibilité et d'extensibilité nécessaire. Lorsque de nouveaux nœuds doivent être fréquemment ajoutés ou que les configurations du réseau doivent être changées, certaines implémentations peuvent s'avérer coûteuses. De plus, certains réseaux tels que ZigBee peuvent s'organiser et se rétablir eux-mêmes en cas de panne, rendant l'ajout et le retrait de nouveaux nœuds rapides et peu coûteux.
Tous les facteurs ci-dessus jouent un rôle, quelle que soit la couche du réseau, bien que des protocoles polyvalents soient plus adaptés aux couches supérieures exigeant une latence faible et un fonctionnement en temps réel.
Vue d'ensemble des protocoles industriels
Les exigences strictes des réseaux industriels ont, au fil du temps, entraîné la création d'une grande diversité de protocoles propriétaires et spécifiques aux applications. Les réseaux avec et sans fil possèdent chacun leurs propres ensembles de protocoles. Malgré le grand nombre de protocoles disponibles, la plupart des protocoles avec fil adhèrent à deux normes : bus de terrain et Ethernet industriel. Dernièrement, la connectivité sans fil s'est avérée capable de réduire les coûts. Les protocoles réseaux tels que Wi-Fi, Cellular, Bluetooth et ZigBee sont tous utilisés à divers degrés. De plus, IO-Link, un protocole série point à point, est de plus en plus populaire
dans les applications intelligentes dédiées aux capteurs.
Bus de terrain
Le terme bus de terrain fait référence à une famille de protocoles de réseaux informatiques industriels utilisés pour le contrôle distribué en temps réel, selon la norme CEI 61158. Les protocoles de bus de terrain éliminent les restrictions du passé, lorsque seulement deux appareils pouvaient communiquer entre eux via des connexions série (telles que RS 232) En ne fournissant qu'un seul point de communication au niveau du contrôleur, des centaines de nœuds analogiques et numériques peuvent communiquer simultanément à l'aide des protocoles de bus de terrain. Les topologies de réseaux daisy chain, en étoile, en anneau et en arbre sont toutes prises en charge. Le plus gros avantage du bus de terrain a été l'énorme réduction de câblage d'usine. Le tableau ci-dessous synthétise les divers protocoles de cette famille ainsi que leurs caractéristiques. Les avantages, les inconvénients et les applications adaptées sont également présentés. Ses caractéristiques essentielles de fiabilité et de simplicité ont fait du bus de terrain le protocole privilégié des réseaux industriels.
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Ethernet industriel :
Protocoles sans fil :
Le sans-fil a apporté de nouvelles opportunités permettant d'économiser des coûts opérationnels et de faciliter les installations. Bien que leur adoption n'en soit qu'à ses balbutiements, ces protocoles sont de plus en plus considérés comme essentiels pour l'avenir. Leurs avantages principaux sont l'élimination du câblage et leur capacité à actionner plus de points de contrôle et de surveillance. De nos jours, les capteurs et les appareils de mesure sont les principaux utilisateurs de protocoles sans fil. Les technologies sans fil les plus courantes pour l'automatisation industrielle comprennent le Wi-Fi 802.11.x, le Bluetooth, Cellular, les bandes de fréquence libres privées ISM et les protocoles 802.15.4, tels que WirelessHART, ISA100.11a, WIA-PA et ZigBee. L'adoption du Wi-Fi accompagne généralement le développement de l'Ethernet industriel et partage souvent la deuxième place des piliers de la communication. Le Bluetooth remplace les câblages point à point, par exemple, entre une solution d'interface homme-machine (HMI) et un appareil de terrain. La connectivité cellulaire est généralement utilisée pour la communication backhaul entre les usines, connectant les appareils distants dans des applications SCADA longue distance, ainsi que pour des accès tiers aux machines et robots. Le tableau ci-dessous synthétise les divers protocoles de cette famille ainsi que leurs caractéristiques. Les avantages, les inconvénients et les applications adaptées sont également présentés. Grâce aux nouvelles possibilités offertes par l'analyse des données et l'IoT, les protocoles sans fil continueront à croître au sein de la configuration industrielle.
Développements du marché
Les solutions basées sur un protocole de bus de terrain existant depuis des décennies représentent le plus grand nombre de protocoles actuellement utilisés. Les analystes estiment qu'entre 55 et 65 % des connectivités industrielles proviennent de technologies de bus de terrain et le taux de croissance annuel est d'environ 7 %. La connectivité par Ethernet industriel est désormais dominante et de plus en plus adoptée. Les nœuds Ethernet devraient surpasser ceux de la connectivité traditionnelle. Cependant, le taux d'adoption a été plus lent que prévu, en grande partie à cause de la sécurité, de la résistance et de l'habitude du bus de terrain. En général, les acteurs industriels hésitent à mettre en place un changement rapide de leur environnement, car un échec serait catastrophique. La percée de l'Ethernet se maintient à entre 30 et 40 % dans la plupart des prévisions, avec un taux de croissance d'environ 20 %. Le parc informatique des dispositifs sans fil dans les applications industrielles est de 4 %, une augmentation est prévue à un taux annuel de 30 %. La plupart des vendeurs majeurs d'appareils IoT sans fil de l'automatisation industrielle propose une large gamme de solutions avec diverses technologies sans fil afin de prendre en charge de nombreuses applications différentes.
Les appareils plus intelligents et moins coûteux prolifèrent et la convergence numérique, permise par les protocoles Ethernet modernes, prend de plus en plus de valeur. L'Ethernet, et le sans-fil en parallèle, connaîtront très certainement une plus grande adoption. L'IoT, l'omniprésence des systèmes de détection et la croissance des données représentent les plus importants moteurs du changement au sein de l'industrie. La possibilité de surveiller chaque poste de commande et point de surveillance, ainsi que la capacité à collecter un très grand nombre de données afin d'alimenter des opérations de maintenance préventive avancées présentent un très grand intérêt pour les industriels. La valeur d'intégration des systèmes d'entreprise et opérationnels a une importance toute particulière. La plupart des entreprises exploitent les modèles de fonctionnement via le cloud (public ou privé) afin de réduire les coûts totaux de propriété de leur infrastructure IT. Le paradigme du cloud sera très certainement adopté dans les systèmes de commande de nouvelle génération. Les actuelles limites de débit et de sécurité des données ne seront plus suffisantes car de nouvelles stratégies fondées sur la collecte de grandes quantités de données gagnent en importance.
Bien qu'il soit difficile de prédire la fin d'une technologie au profit d'une autre, l'immense parc informatique des dispositifs par bus de terrain, accompagnés de leur communauté d'experts, semblent indiquer un futur où l'Ethernet, le bus de terrain et les technologies sans fil coexisteront pendant de nombreuses années.
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