Comparaison des protocoles sans fil pour l'automatisation industrielle

La quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0) a doté les machines de plus d'intelligence et amélioré le rendement et la flexibilité des installations automatisées. Ces systèmes de plus en plus complexes ont entraîné l'adoption des communications sans fil dans les environnements industriels. En effet, les machines intelligentes de l'Industrie 4.0 et l'automatisation modulaire sont définies par :

• Connectivité de commande sécurisée et adaptable
• Collecte et ajustement continu des valeurs de processus de production
• Surveillance de l'état des machines pour les routines de maintenance prédictive
• Mise en réseau des capacités d'analyse des mégadonnées

Les technologies sans fil qui prennent en charge ces fonctions sont basées sur les normes et protocoles cellulaires, Wi-Fi, Bluetooth et IEEE 802.15.4. Cela s'explique en partie par le fait que les ingénieurs de conception s'attendent à une compatibilité entre les composants de différents fabricants — ce qui, par définition, exige une connectivité via des interfaces standard de l'industrie, et non des interfaces propriétaires. En fait, l'interopérabilité n'est que l'un des aspects de l'Industrie 4.0.

Figure 1 : La connectivité sans fil est essentielle pour coordonner les tâches de manutention et de robotique collaborative. (Source de l'image : Getty Images)

Les dispositifs individuels intégrant la communication sans fil sont généralement plus coûteux que les réseaux câblés. Toutefois, cette augmentation du coût initial est compensée de plusieurs manières … et les dispositifs sans fil s'avèrent souvent être l'option la plus rentable à long terme. En effet, le coût de câblage d'une zone de production peut être élevé. La planification du routage des câbles et de leurs connecteurs est fastidieuse. De plus, les câbles doivent être protégés et soutenus physiquement par des chemins de câbles ou des supports … et ils nécessitent des boîtes de jonction et d'autres accessoires. La planification, la commande et l'installation de tout ce matériel lié aux câbles augmentent le temps requis pour l'implémentation d'un réseau.

Normes Wi-Fi pour l'automatisation

En 1997, l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a publié la norme 802.11, qui définit la mise en œuvre sans fil standard des réseaux locaux (LAN). Pour s'assurer que le marché tire pleinement parti de cette norme, le consortium industriel Wi-Fi Alliance n'a pas tardé à suivre — sous l'impulsion des fabricants de dispositifs sans fil désireux de mettre en place des programmes de test et de certification pour garantir l'interopérabilité des produits entre fournisseurs. Aujourd'hui, la norme Wi-Fi telle que définie par l'IEEE 802.11 est soutenue par une normalisation Wi-Fi Alliance supplémentaire pour une compatibilité exceptionnellement fiable des dispositifs adhérant aux exigences.

Figure 2 : L'Industrie 4.0 (également appelée Internet industriel des objets ou IIoT) est inextricablement liée à l'adoption des technologies sans fil. Utilisant des interfaces normalisées pour permettre la connectivité entre divers dispositifs et systèmes informatiques, ces technologies sans fil incluent des dispositifs mobiles utilisés comme IHM (comme illustré ici) ainsi que d'innombrables autres composants de terrain sans fil communiquant l'état des machines. (Source de l'image : Getty Images)

Bien que le Wi-Fi soit très utile pour la surveillance des applications et la connexion des machines aux systèmes d'entreprise, les problèmes de vitesse, de latence et de stabilité de connexion du Wi-Fi ont limité son utilisation dans les applications d'automatisation industrielle exigeantes liées aux commandes des machines. Cela signifie que le Wi-Fi dans les applications industrielles est aujourd'hui essentiellement limité à des utilisations dont les exigences sont relativement acceptables, notamment :

• Lecteurs de codes-barres qui communiquent des données aux systèmes industriels d'exécution (MES) en tolérant une ou deux secondes de retard
• Détecteurs de mouvement non impliqués dans les fonctions de contrôle en temps réel
• Surveillance à long terme de l'état des machines à l'aide de capteurs tels que des accéléromètres (pour suivre la génération de vibrations dans le temps) et des capteurs de température, de pression, d'humidité et de concentration de gaz pour contrôler l'efficacité et la l'état des équipements

Figure 3 : Bien qu'il ne convienne pas aux commandes des machines, le Wi-Fi est utile pour les applications de surveillance des machines et pour connecter les ateliers aux systèmes d'entreprise. (Source de l'image : The Wi-Fi Alliance)

Il y a eu plusieurs tentatives pour adapter le Wi-Fi aux applications de contrôle industriel, mais elles ont eu un succès limité. Un protocole affichant une certaine adoption IIoT réussie est WIA-PA (Wireless Network for Industrial Automation and Process Automation), une norme chinoise de communications industrielles sans fil.

Le Wi-Fi fonctionne bien sûr à 2,4 GHz ou 5 GHz, les fréquences plus élevées permettant un transfert de données plus rapide mais une portée réduite car les fréquences plus élevées se dissipent plus facilement lorsqu'elles traversent des murs et d'autres objets solides. Les normes spécialisées utilisent d'autres bandes de fréquences. Par exemple, la norme IEEE 802.11ah Low-Data Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) fonctionne autour de 900 MHz — et elle est généralement utilisée dans les capteurs exigeant des portées étendues et une très faible consommation d'énergie. À l'autre extrême, le Wi-Fi IEEE 802.11ad (WiGig) fonctionne à environ 60 GHz pour permettre un transfert de données très rapide.

Normes sans fil basées sur IEEE 802.15.4

Les autres options sans fil incluent les réseaux personnels sans fil bas débit LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network), comme défini par la norme IEEE 802.15.4. Les technologies LR-WPAN privilégient le faible coût et la basse consommation par rapport à la vitesse et à la portée. Avec la spécification de base autorisant des taux de transfert de données de 250 kb/s et une portée de 10 m, les technologies utilisant les communications LR-WPAN sont destinées à permettre la communication entre des dispositifs économiques sans infrastructure de communication supplémentaire. Les protocoles basés sur la norme IEEE 802.15.4, tels que 6LoWPAN, WirelessHART et Zigbee, sont en passe de devenir les protocoles IIoT de choix.

1. WirelessHART : Un protocole basé sur la norme 802.15.4 et pris en charge par HART Communications Foundation, ABB, Siemens et d'autres est appelé WirelessHART. Il s'agit d'une norme robuste et bien prise en charge pour les applications d'automatisation industrielle. La fiabilité du réseau est maintenue en utilisant un réseau maillé à saut de fréquence avec synchronisation temporelle. Par contraste, la plupart des protocoles de communications sans fil basés sur les technologies Wi-Fi et cellulaires utilisent une topologie de réseau en étoile moins robuste qui requiert que tous les dispositifs se connectent à un dispositif central. Toutes les communications sont cryptées avec AES 128 bits et l'accès utilisateur peut être étroitement contrôlé.

Figure 4 : Le gestionnaire de réseau SmartMesh LTP5903-WHR prend en charge les passerelles WirelessHART à alimentation secteur pour permettre aux ingénieurs d'intégrer un réseau de capteurs sans fil basé sur des normes pour des communications bidirectionnelles évolutives. (Source de l'image : Analog Devices)

Étant donné que WirelessHART utilise une topologie maillée, les données peuvent être acheminées directement entre les dispositifs. Cela permet d'étendre la portée du réseau et de former des voies de communications redondantes. Ainsi, en cas de défaillance d'une voie, l'expéditeur passe automatiquement à une voie redondante. Le saut de fréquence permet également à WirelessHART d'éviter les problèmes d'interférences.

2. 6LoWPAN : IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network (communément appelé 6LoWPAN) est un protocole qui permet de transmettre des paquets IPv6 sur un réseau basé sur IEEE 802.15.4. Cela signifie que des dispositifs à très basse consommation peuvent se connecter à Internet, convenant aux capteurs IoT et à d'autres dispositifs basse consommation.

3. Zigbee : Géré par la Zigbee Alliance et largement utilisé dans les applications de maison intelligente et d'immotique, Zigbee est peut-être le protocole basé sur IEEE 802.15.4 le mieux établi. Il permet aux nœuds de rester la plupart du temps en mode veille pour étendre considérablement l'autonomie des batteries. Zigbee fonctionne généralement dans la bande 2,4 GHz et a un taux de transfert de données fixe de 250 Kb/s. Il peut prendre en charge diverses topologies de réseau, notamment en étoile, arborescentes et maillées. Les topologies arborescentes et maillées étendent la portée du réseau.

Figure 5 : Zigbee est utile (entre autres applications) pour les capteurs de mouvement, de vibration, d'humidité, de température et de présence dans les environnements industriels. (Source de l'image : Zigbee Alliance)

Bluetooth LE et IoT cellulaire dans l'automatisation industrielle

Bluetooth Low Energy (BLE) est une alternative à la norme IEEE 802.15.4 lorsque le faible coût et la basse consommation sont des priorités absolues, et lorsque la vitesse ainsi que la portée peuvent être sacrifiées. Il fonctionne sur la même fréquence de 2,4 GHz que le Bluetooth standard. Le principal avantage de Bluetooth LE est sa prise en charge native par les systèmes d'exploitation mobiles tels qu'Android de l'Open Handset Alliance, iOS d'Apple et diverses permutations de Windows de Microsoft. Si l'on ajoute à cela le fait que ce sont les grands fournisseurs d'équipements électroniques comme Logitech Corp. qui ont le plus investi dans la recherche et le développement, il n'est pas surprenant que le Bluetooth LE soit encore principalement une option de connectivité sans fil pour les dispositifs grand public. Cela contraste avec WirelessHART, qui est et reste principalement axé sur les applications IIoT.

Figure 6 : La norme Bluetooth Low Energy (BLE) a un profil de port série que les systèmes reconnaissent comme une interface série à part entière — utile pour remplacer les dispositifs câblés avec des mises à niveau connectées par BLE. (Source de l'image : Bluetooth Special Interest Group)

Cela étant dit, ces dernières années ont vu apparaître une multitude de capteurs, de télécommandes, de verrous et de dispositifs portables utilisant Bluetooth LE pour des tâches d'automatisation industrielle. Cette tendance va probablement s'accentuer dans les années à venir.

Contrairement aux protocoles basés sur IEEE 802.15.4 et BLE pour les communications basse consommation à courte portée, les technologies cellulaires permettent des communications sans fil à longue portée. Le protocole cellulaire GSM 2G a été en grande partie supplanté par les protocoles cellulaires haute vitesse 3G et 4G, largement utilisés dans les téléphones portables et les dispositifs IoT. Le hic, c'est que les communications cellulaires consomment beaucoup d'énergie. Dans les applications industrielles (notamment pour la connectivité sur les machines), le système est relié à une alimentation câblée de manière permanente. Les catégories LTE cellulaires indiquent des taux de transfert de données maximum, mais au prix d'une consommation d'énergie plus élevée. La connectivité LTE Cat-0 et Cat-1 convient aux dispositifs IoT. En revanche, LTE-M est un protocole cellulaire basse consommation conçu spécifiquement pour les applications machine-à-machine et IoT.

Contrairement à son utilisation relativement répandue dans les téléphones portables, les applications industrielles de la 5G sont moins matures. En effet, les consommateurs privilégient la vitesse de téléchargement (c'est pourquoi ils ont rapidement adopté les dispositifs 5G initiaux), et les ingénieurs de systèmes IIoT privilégient la faible latence et la couverture omniprésente. En fait, la faible latence est d'une importance capitale dans l'automatisation industrielle. Il est vrai que les premiers réseaux 5G maintiennent la latence à moins de 30 ms, mais des efforts sont déployés pour la réduire davantage, jusqu'à 1 ms. Cela est suffisamment rapide pour les applications de contrôle industriel en temps réel (et pas seulement de surveillance), comme la transmission de signaux de retour dans les machines-outils, par exemple.

La 5G permet notamment de réduire la latence grâce au découpage du réseau. Cette technique de mise en réseau divise la largeur de bande d'un réseau en différentes voies virtuelles qui sont ensuite gérées individuellement. Certaines voies sont réservées aux transmissions à faible latence — la majorité du trafic ayant interdiction de les utiliser. Seules les applications de contrôle industriel nécessitant la transmission la plus rapide sont autorisées à utiliser ces voies rapides réservées.

Essor du protocole sans fil LoRA

La modulation de réseau étendu longue portée (LoRA) est le protocole sans fil économique de choix pour les applications distantes et offshore dans les secteurs des énergies renouvelables, de l'exploitation minière et de la logistique. Il s'agit d'une technologie sans fil basse consommation qui permet de communiquer sur de très longues distances — même au-delà de 10 km — avec une seule batterie pendant 10 ans. En résumé, LoRA est une technologie non cellulaire fonctionnant dans des bandes de fréquences sans licence. LoRA utilise des bandes de fréquences sub-gigahertz telles que 433 MHz et 915 MHz et une modulation à spectre étalé basée sur la modulation CSS. Cette technologie est très bien adaptée aux dispositifs IoT installés dans des emplacements éloignés et ne nécessitant que des taux de transfert de données modestes. LoRA est également doté de contrôles d'authentification et de cryptage 128 bits. Une autre fonctionnalité utile (notamment pour les capteurs dans les applications IIoT) est la géolocalisation par triangulation entre dispositifs.

LoRA utilise des technologies propriétaires développées par Semtech Corp., mais offre une variété d'éléments open-source. LoRA est pris en charge (et l'interopérabilité entre dispositifs garantie) par LoRa Alliance, une vaste association qui inclut IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom et Semtech.

Conclusion

Les protocoles sans fil pour l'automatisation industrielle sont nombreux. Chacun est adapté à des applications spécifiques. Les utilisations qui exigent une basse consommation d'énergie et acceptent des transmissions à courte portée bénéficient souvent de l'inclusion de la connectivité Zigbee et Bluetooth LE. Les applications industrielles plus exigeantes nécessitant une robustesse des communications peuvent exiger des dispositifs dotés de la connectivité sans fil WirelessHART. Les utilisations qui exigent une transmission à longue portée et des taux de transfert de données élevés font appel au cellulaire. Ici, la 5G est sur le point de transformer les communications sans fil. Les communications de données sur de très longues distances (avec une consommation minimale) sont souvent optimisées avec LoRa.