Réseaux machine-à-machine pour fonctions de machines automatisées

Les réseaux machine-à-machine (M2M) sont à la base une permutation de la télématique industrielle — une combinaison de télécommunications et d'informatique utilisant des données pour exécuter des opérations automatisées. Les réseaux M2M incluent des capteurs, des commandes et des machines qui communiquent sans intervention humaine. Les machines de ces réseaux peuvent se trouver sur le même site ou à l'autre bout du monde.

Les communications filaires et sans fil commandent les fonctions M2M. Les dispositifs transmettent et collectent les informations pour permettre des évaluations opérationnelles et des ajustements en temps réel. Par exemple, une station d'épuration des eaux usées peut utiliser des capteurs à distance dans des stations clés pour collecter des données relatives aux niveaux de liquide, aux taux de produits chimiques, aux températures, aux débits et à d'autres paramètres. Ces données sont ensuite transmises via un réseau sans fil à une plateforme pour une collecte par des commandes intelligentes. Lorsqu'il est utile qu'un opérateur humain surveille et réponde aux paramètres changeants, une interface homme-machine (IHM) exécutant un logiciel spécifique à l'application peut afficher les valeurs du système sur un tableau de bord numérique. Dans certains cas, les machines périphériques reçoivent des signaux d'autres machines via des contrôleurs sur le réseau M2M. Cela permet à ces équipements de fonctionner en tandem avec toute programmation basée sur des règles prédéfinies.

Figure 1 : La clé cellulaire USB-D QuickCarrier prend en charge les installations M2M exigeant une connectivité fiable des données. Elle permet également une configuration rapide de la connectivité cellulaire pour la communication numérique d'objets physiques. (Source de l'image : Multi-Tech Systems Inc.)

Différence entre la mise en réseau M2M et la connectivité Internet des objets (IoT)

La capacité relativement nouvelle des conceptions automatisées à déclencher et à réguler des opérations de plus haut niveau dépend des technologies M2M et IoT. Consultez l'article « Différence entre conception et communication IoT et M2M » pour un examen approfondi des différences entre ces systèmes.

• Les technologies M2M excellent dans la surveillance et le contrôle des fonctions individuelles (isolées dans une certaine mesure). Cela se fait de plus en plus par le biais de communications cellulaires facilitées par des dispositifs embarqués. De nombreux réseaux M2M sont des installations localisées utilisant une ou deux sources d'informations : par exemple, une installation M2M grand public peut inclure un thermostat et une caméra qui transmettent en continu des données à un dispositif corporel ou à un smartphone, éventuellement pour déclencher un ajustement par un opérateur humain. Les seuls points de données proviennent de ces dispositifs de détection.
• L'IoT implique l'intégration complète d'installations entièrement connectées (impliquant généralement l'actionnement de machines et le retour d'informations) pour prendre en charge des opérations de collaboration entre des systèmes sophistiqués, des sources d'informations ou des pièces de machines hautement automatisées. Ainsi, la même configuration grand public, avec thermostat et caméra communiquant avec un smartphone doté de la fonctionnalité IoT, utiliserait des points de données provenant de ces dispositifs de retour d'informations (tout comme le fait la configuration M2M) ainsi que des données supplémentaires provenant d'Internet sur les prévisions météorologiques locales, les données de voisinage, les analyses d'experts et les bases de données d'apprentissage automatique pour aviser la réponse de l'opérateur humain ou d'une forme d'automatisation connectée.

Dans un contexte industriel, cette fonctionnalité IoT permet également la maintenance préventive et l'utilisation de mégadonnées (big data) pour les fonctions au niveau entreprise. En général, un système centralisé collecte les données de retour et d'automatisation machine partiellement ou entièrement distillées. Ensuite, l'analyse du système génère des paramètres prescrits pour une surveillance, une régulation ou un ajustement ultérieurs. Un nombre croissant de sites utilise des mégadonnées (parfois complétées par l'apprentissage machine) pour gérer les opérations normales et problématiques nécessitant une maintenance ou d'autres actions. Par exemple, les gazoducs modernes transmettent des données sur les stations de pompage distantes à des bases de données centrales auxquelles le personnel d'un centre de contrôle et de commande peut accéder, parfois, depuis un autre continent.

Types de matériel pour soutenir les fonctions M2M

Les capteurs, les actionneurs et la logique embarquée sont les principaux types de matériel avec prise en charge M2M. Les capteurs et les actionneurs sont généralement fournis par le fabricant de composants avec une connectivité M2M intégrée. En revanche, les modules M2M embarqués sont généralement intégrés par les équipementiers dans leurs propres dispositifs pour effectuer des tâches et des fonctions spécifiques, généralement pour donner une connectivité cellulaire et d'autres formes de connectivité à des dispositifs qui ont pu par le passé fonctionner de manière isolée. Ces systèmes M2M embarqués sont particulièrement utiles dans les secteurs des transports et de l'aérospatiale, notamment pour les systèmes de navigation GPS, les systèmes de verrouillage, les enregistreurs et les capteurs sur des actifs tels que les navires, les avions et les poids lourds.

Figure 2 : Les systèmes embarqués incluent des circuits intégrés pour transmettre, recevoir et traiter des données. Ce modem embarqué cellulaire LTE Cat 1 XBee est destiné aux équipementiers pour qu'ils l'intègrent dans leurs constructions exigeant une connectivité cellulaire. (Source de l'image : Digi)

Logiciel M2M : La plateforme logicielle utilisée pour une installation M2M dépend de la mobilité de la machine, de son environnement, et de la quantité et du type de données à traiter. Lorsque le logiciel M2M exploite le cloud computing, il s'exécute sur du matériel avec des communications vers un serveur distant. Ce dernier utilise son propre logiciel pour envoyer des informations aux administrateurs qui traitent et agissent ensuite sur ces données. Dans certains cas, les logiciels prenant en charge les réseaux M2M incluent une interface utilisateur graphique (GUI). Ces interfaces graphiques permettent au personnel d'accéder à des données système distillées qui sont généralement présentées sous forme de graphiques et de vidéos, plutôt que dans des interfaces textuelles compliquées et potentiellement déroutantes.

Là où les réseaux M2M sont utiles

Applications ciblées pour le diagnostic et la maintenance : Les réseaux M2M prennent en charge le diagnostic et la maintenance, l'optimisation des machines et les contrôles spécifiques aux applications. Comme les réseaux M2M envoient et reçoivent des données en continu, ils sont efficaces pour optimiser les calendriers de maintenance planifiée des équipements autonomes dans les sites de fabrication, et pour signaler si une maintenance non planifiée est nécessaire. Ici, les capteurs d'une machine connectée peuvent envoyer des données via une pile logicielle dans le cloud et agréger ces données vers un autre dispositif, puis fournir des informations sur l'équipement ou la maintenance du système. Par exemple, des températures inhabituelles peuvent indiquer la nécessité de relubrifier un axe, ou une usure mécanique nécessitant le remplacement de pièces.

Dans les zones publiques et les coulisses des aéroports, les réseaux M2M collectent des informations sur la température, les vibrations et les niveaux de lubrifiant des moteurs à engrenages des escalators, des tapis roulants et des systèmes de manutention des bagages. Les réseaux M2M utilisent également des capteurs sur les réservoirs d'eau potable dans les aéroports pour surveiller le débit d'eau, la température, l'état ouvert ou fermé des portes des réservoirs, et même les fuites d'eau potentielles.

Affichage graphique de l'état des machines : Les indicateurs d'état M2M des machines les plus simples prennent la forme de voyants lumineux et d'affichages numériques. Mais comme nous l'avons déjà mentionné, des systèmes M2M plus sophistiqués prennent en charge des interfaces graphiques pour communiquer les informations d'état des machines aux humains dans des formats qui rendent les données faciles à comprendre. Dans certains cas, ces présentations sont également sur la machine ou le dispositif sous la forme d'un petit écran ou même d'une IHM pleine taille. Dans d'autres cas, l'affichage graphique se trouve à un emplacement distant.

Modifications à distance des paramètres : Les données de retour d'informations système collectées par un réseau M2M informent souvent les flux de travail et l'allocation des ressources déclenchés à distance. Reconsidérons notre exemple d'aéroport : ici, l'analyse des données du réseau M2M peut inciter la direction à envoyer un technicien pour remédier aux défaillances d'un équipement avant qu'une équipe de nettoyage ou qu'un voyageur ne remarque et ne signale le problème.

Connexions et liaisons du réseau physique M2M

Comme mentionné, les communications M2M se font par le biais d'équipements sans fil et câblés. Les permutations câblées pour les dispositifs les plus simples incluent les communications par courants porteurs en ligne (transportant les données sur les mêmes conducteurs que ceux fournissant l'alimentation électrique CA) et les communications série (un bit à la fois dans les séquences standard de l'industrie). Les installations M2M plus avancées peuvent utiliser des réseaux locaux (LAN) ou (pour les applications M2M distribuées et évolutives) des réseaux étendus (WAN) pour communiquer et envoyer des données sur de plus grandes distances. Les sous-composants M2M embarqués décrits précédemment se connectent via des réseaux WAN et LAN et peuvent communiquer en tant qu'éléments intersystèmes ou intrasystèmes.

Les communications intersystèmes se font via les protocoles CAN (Controller Area Network) et SPI (Serial Peripheral Interface) pour communiquer entre dispositifs. En revanche, les communications intrasystèmes utilisent souvent une micropuce de bus série universel (USB) ou d'émetteur/récepteur synchrone/asynchrone universel (USART) pour la communication via le port série d'un ordinateur afin de permettre la circulation des données entre les puces d'un même dispositif.

Bien sûr, les communications entre les machines et les dispositifs prennent d'autres formes. Les communications point-à-point (par opposition aux communications par diffusion) prennent généralement en charge les fonctions M2M au sein des équipements. Les unités terminales distantes (RTU), généralement vendues sous forme de modules de microprocesseur électroniques pour surveiller et contrôler les dispositifs sur le terrain pour la fonctionnalité de contrôle et d'acquisition de données (SCADA), prennent également en charge les connexions M2M. Ce sont des intermédiaires pour :

• Transmettre les données en format télémétrique (collectées par les dispositifs de terrain) à un système central, puis
• Renvoyer les commandes de réponse aux dispositifs de terrain.

Formats de communications M2M sans fil : Les configurations M2M pour communiquer sans fil abondent — avec les technologies Bluetooth, Wi-Fi et GSM ainsi que les réseaux cellulaires GSM, CMDA et LTE. Les réseaux sans fil apportent compacité et commodité, et les normes d'infrastructure en croissance telles que LTE/5G incitent à utiliser encore plus les communications cellulaires pour les fonctionnalités M2M.

Protocoles de la couche application utilisés pour les fonctions M2M

Les communications M2M se produisent principalement sur la couche application des réseaux industriels — la couche supérieure pour l'interface entre le système et les utilisateurs — permettant la communication entre les dispositifs et les contrôles. Les interface de programmation (API) sont nombreuses pour simplifier la programmation de ces logiciels et services Web.

Figure 3 : Les modèles conceptuels de réseaux abondent ; sont illustrés ici les divers protocoles de réseaux organisés selon la taxonomie du modèle le plus connu, la norme OSI (Open Systems Interconnection) établie en 1984. (Source de l'image : Design World)

Parmi les protocoles régulièrement utilisés pour les fonctions M2M figure le protocole de transfert hypertexte (HTTP) au niveau de l'application qui définit les structures des messages entre les serveurs et les navigateurs Web. HTTP est généralement associé aux hyperliens et à d'autres structures qu'il fournit au World Wide Web. Sa fonction dans les applications M2M est similaire, car les navigateurs agissent comme des clients demandant des informations aux serveurs qui fournissent l'application.

Le protocole MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) est également utilisé pour la connectivité M2M ; il s'agit d'un protocole de messagerie basé sur TCP/IP pour les communications M2M légères. Dans certaines configurations, plusieurs clients échangent des informations négociées via MQTT. Ces fonctions de courtier sont exécutées par un récepteur, une passerelle ou un serveur. Le courtier accepte les messages que les clients lui envoient ; en retour, les clients peuvent recevoir les messages auxquels ils se sont abonnés.

Un autre protocole utilisé pour les fonctions M2M est le protocole ouvert OPC UA (OPC Unified Architecture) pour l'automatisation industrielle. Une autre option de norme ouverte est le protocole AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) pour le transfert de messages entre applications. Il s'agit de la norme utilisée pour la messagerie d'entreprise dans de nombreuses applications d'entreprise. En revanche, MTConnect (définie par ANSI/MTC1.4-2018) est une norme de fabrication qui spécifie comment les données de contrôle doivent être échangées entre les dispositifs et les applications de l'usine. Les dispositifs d'usine peuvent être des équipements ainsi que des outils et des capteurs. MTConnect normalise les données extraites dans un format XML avec des descriptions de composants standardisées.

Bien qu'il dépasse le cadre de cet article et ne corresponde pas exactement au modèle historique de réseau OSI, Amazon Web Services (AWS) IoT Core est un service cloud administré en plein essor pour les applications M2M et IoT. Il prend en charge HTTP et MQTT et assure le traitement et le routage sécurisés de billions de messages entre des milliards de dispositifs de terrain et points d'extrémité AWS.

Nouvelle frontière pour les communications et le contrôle M2M

Les réseaux M2M vont continuer à se développer à mesure que les entreprises tirent parti des avantages de l'accès aux données. De fait, le matériel, les logiciels et les communications réseau compatibles M2M évoluent pour apporter des capacités sans précédent à l'industrie et à d'autres secteurs. Ainsi, ces réseaux M2M continueront à être un puissant moyen de transmission, de réception et de communication de données. Dans certains cas, ils compléteront ou dynamiseront également les installations IoT.