Les sys­tèmes d’en­trées/ sor­ties mo­du­laires

Les ré­seaux in­dus­triels se trans­forment: avec le dé­ploie­ment de plus en plus im­por­tant de l’ether­net, l’or­ga­ni­sa­tion est mo­di­fiée, et les fonc­tions des dif­fé­rents élé­ments changent. Ain­si, les sys­tèmes d’en­trées/sor­ties sont de plus en plus fa­ciles à dé­po

Mesures - - Front Page - An­toine Cap­pelle

Le dé­ve­lop­pe­ment de l’ether­net mo­di­fie les ré­seaux in­dus­triels. En consé­quence, la ges­tion des au­to­ma­tismes est de plus en plus dé­cen­tra­li­sée. « La lo­gique modulaire prend de plus en plus d’im­por­tance dans la concep­tion des ins­tal­la­tions au­jourd’hui », note Jé­rôme Pon­cha­ral, ar­chi­tecte so­lu­tion pour les au­to­ma­tismes et lo­gi­ciels chez Ro­ck­well Au­to­ma­tion. Il existe deux phi­lo­so­phies en termes d’en­trées/sor­ties: on peut les cen­tra­li­ser dans une ar­moire, ou les ins­tal­ler au plus près des cap­teurs et ac­tion­neurs afin de consti­tuer des îlots. Mais le vo­lume des don­nées col­lec­tées étant crois­sant, « les usines uti­li­se­ront de moins en moins d’au­to­mates avec en­trées/ sor­ties, pré­voit Jé­rôme Pon­cha­ral. L’au­to­mate va de­ve­nir un con­cen­tra­teur, connec­té à des îlots d’en­trées/sor­ties dans tout l’ate­lier. »« Dès qu’il y a de la dis­tance entre le pro­ces­seur et les cap­teurs, on dé­cen­tra­lise les en­trées et les sor­ties à la pé­ri­phé­rie », ob­serve Pierre Et­che­ber­ry, chef pro­duit pour les pé­ri­phé­riques dé­cen­tra­li­sés chez Sie­mens. Il suf­fit alors d’un câble ré­seau pour re­lier le mo­dule d’en­trées/sor­ties à l’au­to­mate char­gé du trai­te­ment des in­for­ma­tions. « Au lieu d’uti­li­ser 20 fils pour 10 en­trées, on n’au­ra que 2 fils à connec- ter pour faire tran­si­ter les in­for­ma­tions co­dées de plu­sieurs cap­teurs », pré­cise Maxence Prou­vost, res­pon­sable mar­ke­ting des so­lu­tions ma­chines chez Sch­nei­der Elec­tric. « De plus, ce­la per­met de s’af­fran­chir de l’at­té­nua­tion des si­gnaux, s’ils sont de faible in­ten­si­té, conti­nue Pierre Et­che­ber­ry (Sie­mens). Au­jourd’hui, ce mode de fonc­tion­ne­ment est gé­né­ra­li­sé, on le trouve par­tout dans le sec­teur ma­nu­fac­tu­rier, pour tout type d’ap­pli­ca­tions. » On trou­ve­ra ain­si en en­trée des cap­teurs «Tout ou Rien » (TOR) ou ana­lo­giques pour me­su­rer une tem­pé­ra­ture, une pres­sion ou une masse. En sor­tie du pro­ces­seur, tout est pos­sible : un voyant, un au­to­mate, un dé­mar­reur de mo­teur, un dis­jonc­teur, ou en­core des élec­tro­vannes.

« Ac­tuel­le­ment, 90 % de nos ar­chi­tec­tures in­tègrent des en­trées/sor­ties mo­du­laires », confirme Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­well Au­to­ma­tion). Ce­la per­met aux en­tre­prises d’op­ti­mi­ser le coût de leur ré­seau, en l’adap­tant au plus juste à leurs be­soins. « Il faut pour ce­la des mo­dules adap­tables à la den­si­té de points à des­ser­vir », pour­suit-il. Les mo­dules peuvent être ba­sés sur des bus conven­tion­nels, comme Ca­no­pen ou Mod­bus. Mais il est de plus en plus fré­quent que les usines aient dé­jà une in­fra­struc­ture ré­seau Ether­net im­por­tante. « Il de­vient donc très simple de ra­jou­ter un îlot à par­tir de mo­dules d’en­trées/sor­ties, sans câ­bler di­rec­te­ment l’au­to­mate », af­firme Jé­rôme Pon­cha­ral. In­utile de faire che­mi­ner des fais­ceaux de câbles sup­plé­men­taires à tra­vers l’ate­lier : l’ins­tal­la­tion est sim­pli­fiée et le risque d’er­reur, ré­duit. Il existe éga­le­ment des sys­tèmes d’en­trées/sor­ties sans fil : « Ces sys­tèmes sont le plus sou­vent uti­li­sés dans les in­dus­tries de pé­trole et gaz, le trai­te­ment des eaux ou les tran­sports, pré­cise Tho­mas Hilz, en charge des so­lu­tions d’en­trées/sor­ties in­dus­trielles chez Moxa. Ils prennent de plus en plus d’im­por­tance dans les té­lé­com­mu­ni­ca­tions éga­le­ment, pour la sur­veillance à dis­tance de sta­tions de base par exemple. » Dans cer­tains cas, la con­nexion sans fil est aus­si uti­li­sée comme so­lu­tion de se­cours en cas de perte de la con­nexion câ­blée.

Ether­net rem­place les bus de ter­rain

Ether­net sup­porte tous les types d’ap­pli­ca­tions. De plus, un bus de ter­rain comme Pro­fi­bus n’offre qu’un dé­bit de 12 Mbaud. « Avec Ether­net, le dé­bit peut être qua­si­ment mul­ti­plié par 10 », in­dique Pierre Et­che­ber­ry (Sie­mens). La struc­ture du ré­seau, li­néaire avec les bus clas­siques, est plus souple avec Ether­net. Le pro­to­cole per­met en ef­fet de mettre en place un ré­seau en étoile ou en an­neau. Il suf­fit d’un com­mu­ta­teur pour ins­tal­ler un nou­veau dé­part. « La grosse dif­fé­rence est que les autres pro­to­coles fonc­tionnent sur le mo­dèle maître-es­clave », dé­taille Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). L’es­clave doit alors se mettre à jour à in­ter­valles ré­gu­liers et en­voyer ses in­for­ma­tions sur le ré­seau. Les maîtres se chargent de les ré­cu­pé­rer.avec Ether­net, les com­mu­ni­ca­tions sont bi­di­rec­tion­nelles. « Plus la tech­no­lo­gie ré­seau avance, plus elle ouvre des pers­pec­tives de dis­so­cia­tion entre l’in­tel­li­gence et la par­tie cap­teurs et ac­tion­neurs, ana­lyse Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­well-au­to­ma­tion). Cette ten­dance est com­pa­rable avec ce que l’on a ob­ser­vé avec la vir­tua­li­sa­tion in­for­ma­tique. Le ré­seau per­met la mise en place d’ar­chi­tec­tures dis­tri­buées et per­for­mantes. La vi­tesse étant au­pa­ra­vant un frein, l’ef­fi­ca­ci­té im­pli­quait obli­ga­toi­re­ment la proxi­mi­té ». Ain­si, l’ether­net rem­place pe­tit à pe­tit les bus de ter­rain plus an­ciens. « His­to­ri­que­ment, nous uti­li­sions les bus de ter­rain Pro­fi­bus, rap­pelle Pierre Et­che­ber­ry (Sie­mens). Au­jourd’hui, nous uti­li­sons Pro­fi­net, via l’ether­net in­dus­triel. Les per­for­mances sont su­pé­rieures, pour un coût iden­tique, voire moindre. Et Ether­net est plus fa­cile à in­té­grer. » Si les pre­mières so­lu­tions de ce type datent d’une di­zaine d’an­nées, Pierre Et­che­ber­ry es­time la mas­si­fi­ca­tion des ventes à en­vi­ron cinq ans.alors que l’ether­net était à l’ori­gine ré­ser­vé à la su­per­vi­sion et aux parcs in­for­ma­tiques, « dé­sor­mais, même les au­to­ma­tismes peuvent l’uti­li­ser, ajoute Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). Les en­trées/sor­ties émettent des in­for­ma­tions pour un au­to­mate, mais aus­si pour un su­per­vi­seur. Il y a une conver­gence. » L’in­for­ma­tion est ain­si dis­po­nible plus ra­pi­de­ment et plus sim­ple­ment : il n’est plus né­ces­saire d’em­ployer des tables d’échange pour conver­tir l’in­for­ma­tion à des­ti­na­tion de la su­per­vi­sion. De plus, des don­nées comme les flux vi­déo ou le son sont éga­le­ment plus simples à mettre en oeuvre. Ce­la fa­vo­rise le dé­ve­lop­pe­ment de la ro­bo­ti­sa­tion. Au­jourd’hui, peu de nou­veaux pro­jets se basent sur des bus de ter­rain clas­siques. Bien sûr, cette tech­no­lo­gie reste lar­ge­ment pré­sente dans les usines. « Ether­net n’est pas en­core la tech­no­lo­gie do­mi­nante, et le parc exis­tant doit conti­nuer à vivre, rap­pelle Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­well Au­to­ma­tion). C’est une grosse contrainte pour les construc­teurs : il faut as­su­rer une conti­nui­té d’ex­ploi­ta­tion par rap­port à ces tech­no­lo­gies, loin d’être ob­so­lètes. » « Les bus de ter­rain per­mettent de mettre à jour d’an­ciennes ins­tal­la­tions, pour ob­te­nir plus de don­nées d’un équi­pe­ment, ajoute Tho­mas Hilz (Moxa). Le but des in­dus­triels est avant tout l’ef­fi­ca­ci­té des équi­pe­ments, beau­coup font donc de la main­te­nance pré­dic­tive, y com­pris avec des équi­pe­ments an­ciens. » Les ré­seaux Foun­da­tion Field­bus, Pro­fi­bus ou en­core De­vi­ce­net ont été conçus et confi­gu­rés pour des ap­pli­ca­tions pré­cises. Ils ont donc des ca­rac­té­ris­tiques in­té­res­santes pour les in­dus­triels, mais l’in­ter­opé­ra­bi­li­té né­ces­si­tait des com­pé­tences spé­ci­fiques. Dé­sor­mais, il est pos­sible de se for­mer uni­que­ment à Ether­net. « L’usine du fu­tur

a be­soin de sys­tèmes plus ou­verts, es­time Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). Ether­net est ap­pa­ru comme le bus de ter­rain le plus simple et le moins coû­teux pour ce­la. » Il per­met de connec­ter des sys­tèmes pro­ve­nant de dif­fé­rents fa­bri­cants. « Ce­la four­nit une ou­ver­ture pour des choses que l’on ne sait pas faire nous-mêmes », com­mente-t-il. Qu’elles soient cen­tra­li­sées ou dé­por­tées, les en­trées/sor­ties peuvent re­po­ser sur les mêmes types de mo­dules. « Beau­coup de nos clients ins­tallent des mo­dules dé­cen­tra­li­sés comme bor­niers à proxi­mi­té de l’au­to­mate. En ef­fet, ce­la offre plus de sou­plesse en termes de rac­cor­de­ment au ni­veau de l’ar­moire », conti­nue Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­well Au­to­ma­tion). Ins­tal­ler des en­trées/sor­ties mo­du­laires, en cof­fret ou en ar­moire, per­met de pré­voir les fu­tures évo­lu­tions du sys­tème. À l’in­verse, les en­trées/sor­ties sous forme de blocs ne sont, elles, pas évo­lu­tives. Mais elles pré­sentent l’avan­tage de pro­po­ser une connec­tique ra­pide à ins­tal­ler, li­mi­tant les risques d’er­reur. Les blocs s’uti­lisent lors­qu’un point de re­grou­pe­ment est fi­na­li­sé. « Lorsque l’on n’a be­soin que d’un faible vo­lume d’en­trées/sor­ties, dont le nombre ne va pas évo­luer, les blocs al­lègent le coût de l’ins- tal­la­tion, pré­cise Jé­rôme Pon­cha­ral. Il n’y a plus be­soin d’ar­moire ni d’ali­men­ta­tion, le tra­vail d’in­té­gra­tion est sim­pli­fié. » Ce type d’ins­tal­la­tions peut se trou­ver par exemple dans l’au­to­mo­bile ou sur des chaînes de convoyage, où il peut exis­ter des sec­tions ré­pé­ti­tives et fi­gées. Les blocs sont sou­vent uti­li­sés éga­le­ment pour la concep­tion de ma­chines. « En termes de main­te­nance, cer­taines en­tre­prises pré­fèrent rem­pla­cer un bloc en­tier en cas de dé­faillance, lorsque l’ori­gine de la panne n’est pas cer­taine, ob­serve Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). Ce­la coûte plus cher que de rem­pla­cer uni­que­ment un mo­dule, mais ce­la peut per­mettre de ga­gner du temps et de

re­lan­cer la pro­duc­tion plus ra­pi­de­ment ». Les fa­bri­cants de ma­chines pro­fitent éga­le­ment des sys­tèmes d’en­trées/sor­ties mo­du­laires. « Ce­la per­met de gar­der le même pro­gramme dans l’au­to­mate, mais de sim­pli­fier l’ajout de fonc­tions via de nou­veaux mo­dules », note Maxence Prou­vost. Les sys­tèmes mo­du­laires per­mettent en plus de dé­por­ter l’in­tel­li­gence de la ma­chine vers les en­trées/sor­ties, grâce à de pe­tits contrô­leurs, ou di­rec­te­ment sur les mo­dules. « Nos mo­dules in­tel­li­gents em­barquent des fonc­tions lo­giques, per­met­tant par exemple de leur faire en­voyer un SMS ou de dé­clen­cher une alarme sous cer­taines condi- tions, in­di­que­tho­mas Hilz (Moxa). Ce­la ne né­ces­site au­cun com­po­sant ad­di­tion­nel, juste une simple confi­gu­ra­tion. » L’in­tel­li­gence n’est donc plus né­ces­sai­re­ment cen­tra­li­sée dans un au­to­mate. Ce­la consti­tue un autre le­vier de flexi­bi­li­té. « De plus en plus, on uti­lise des ar­moires plus com­pactes, et l’on ré­par­tit l’in­tel­li­gence le long de la ligne de pro­duc­tion », conti­nue Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). « Nous pro­po­sons main­te­nant des cartes de pesage, illustre Pierre Et­che­ber­ry (Sie­mens). Le trai­te­ment du si­gnal est ef­fec­tué di­rec­te­ment dans la carte. Ce­la per­met d’al­lé­ger le pro­ces­seur qui peut al­louer ses res­sources à d’autres tâches, comme l’en­voi d’in­for­ma­tions vers un sys­tème su­pé­rieur. » Di­vers mo­dules spé­cia­li­sés per­mettent ain­si de dé­lo­ca­li­ser des tâches spé­ci­fiques, comme l’ana­lyse de vi­bra­tions. « Ces mo­dules au for­mat d’en­trées/sor­ties per­mettent d’ob­te­nir des in­for­ma­tions sur la consom­ma­tion de chaque élé­ment, ajoute Pierre Et­che­ber­ry. On cal­cule les ten­sions, les cou­rants et les phases, pour les ren­voyer vers un au­to­mate ou les faire re­mon­ter dans des bases de don­nées ou sur des ap­pli­ca­tions, en cloud par exemple, dans une dé­marche de big da­ta. » Les mo­dules in­tel­li­gents se sub­sti­tuent à une grosse in­tel­li­gence cen­trale, char­gée de trai­ter de nom­breuses en­trées/sor­ties. Un fa­bri­cant de ma­chines mo­du­laires peut alors as­sem­bler plus fa­ci­le­ment ces dif­fé­rentes fonc­tions. Et le client peut ne choi­sir que cer­taines fonc­tions, sans que ce­la oblige le construc­teur à en re­voir la concep­tion.

Cap­teurs in­tel­li­gents

Une autre évo­lu­tion consiste à uti­li­ser les mo­dules d’en­trées/sor­ties dis­tri­bués comme pas­se­relles. « Une fois le mo­dule connec­té pour com­mu­ni­quer avec l’au­to­mate, on va per­mettre à d’autres ap­pli­ca­tions d’y ac­cé­der, ex­plique Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­wel­lau­to­ma­tion). Ce ne sont pas les mêmes mé­tiers : l’au­to­mate sert à la conduite de pro­cé­dé, et l’in­for­ma­tion sup­plé­men­taire peut être uti­li­sée pour d’autres ap­pli­ca­tions, comme la main­te­nance pré­ven­tive. » Les uti­li­sa­teurs peuvent ain­si être in­for­més, via un ter­mi­nal ou tout autre ou­til d’ex­ploi­ta­tion, sur l’évo­lu­tion de pa­ra­mètres au fil du temps, comme l’en­cras­se­ment d’une cel­lule op­tique com­mu­ni­quée par Io-link. Ce mode de fonc­tion­ne­ment en tant que pas­se­relle de­vrait prendre de l’im­por­tance à l’ave­nir, avec l’in­té­gra­tion de plus en plus cou­rante de l’in­tel­li­gence dans les cap­teurs et ac­tion­neurs eux-mêmes. « Les cap­teurs pro­dui­ront de l’in­for­ma­tion, mais ne se­ront pas connec­tés di­rec­te­ment. Ils pas­se­ront plu­tôt par des mo­dules d’en­trées/sor­ties. Les pro­to­coles Hart et Io-link sont de plus en plus uti­li­sés pour con­sul­ter des cap­teurs sans pas­ser par un au­to­mate », pour­suit Jé­rôme Pon­cha­ral. Pour choi­sir le sys­tème le mieux adap­té à une ap­pli­ca­tion, la pre­mière ques­tion à consi­dé­rer est la flexi­bi­li­té des en­trées/sor­ties : fau­dra-t-il ajou­ter à l’ave­nir des cap­teurs ou des ac­tion­neurs ? Dans ce cas, c’est bien vers un sys­tème

modulaire qu’il faut se tour­ner. « Il faut sa­voir si les en­trées/sor­ties se­ront ins­tal­lées le long d’une ligne de fa­bri­ca­tion im­por­tante, et la dis­tance qu’il fau­dra cou­vrir. Et, en­fin, connaître le mode de mon­tage : en cof­fret ou di­rec­te­ment sur une ma­chine, note Pierre Et­che­ber­ry (Sie­mens). Tout est pos­sible, pour tous les pro­cess, tant que le client ex­prime un be­soin pré­cis. » Pour des ma­chines très simples, mieux vaut pri­vi­lé­gier les en­trées/sor­ties stan­dard (TOR, ana­lo­giques) aux bus de ter­rain. Les bus peuvent in­ter­ve­nir par exemple dans les cas où il faut re­lier plu­sieurs sys­tèmes entre eux. Dans ce cas, faut-il tout in­té­grer en ar­moire, ou ex­por­ter des en­trées/sor­ties au plus près des ac­tion­neurs? Si l’on fait le choix de les dé­por­ter, quelle se­ra la taille des îlots ? « C’est gé­né­ra­le­ment ce cri­tère qui est dé­ci­sif pour le choix de la gamme d’en­trées/sor­ties », pré­cise Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­well Au­to­ma­tion). Les contraintes en­vi­ron­ne­men­tales sont éga­le­ment à prendre en compte : il existe des mo­dèles étanches, des cartes tro­pi­ca­li­sées en cas d’hy­gro­mé­trie éle­vée, des plages de tem­pé­ra­ture plus ou moins éten­dues, ou en­core des mo­dèles dé­diés aux at­mo­sphères ex­plo­sibles. En plus des pro­duits eux-mêmes, les fa­bri­cants peuvent éga­le­ment four­nir des conseils face à ces ques­tions. « Des ex­perts ac­com­pagnent nos clients dans leur dé­marche d’in­gé­nie­rie », in­dique Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). « Il faut aus­si voir au-de­là du coût d’achat ini­tial, pré­vient Jé­rôme Pon­cha­ral (Ro­ck­well Au­to­ma­tion). Il faut pe­ser le cycle de vie, et pas juste le coût d’achat ini­tial. Un choix est tou­jours lourd d’im­pact, il faut donc se po­ser les bonnes ques­tions pour sa­voir si un pro­duit est adap­té à la stra­té­gie de l’en­tre­prise, par exemple en termes d’évo­lu­ti­vi­té. » Il est aus­si im­por­tant d’en­vi­sa­ger les pannes et les consé­quences d’un dé­faut. Cer­tains fa­bri­cants pro­posent des mo­dules échan­geables à chaud: « Ce­la per­met de ne pas cou­per l’ou­til de pro­duc­tion, ex­plique Pierre Et­che­ber­ry (Sie­mens). Des fonc­tions de diag­nos­tic peuvent éga­le­ment ac­cé­lé­rer la ré­so­lu­tion des pro­blèmes éven­tuels ». « À l’ave­nir, les blocs d’en­trées/sor­ties pour­raient dis­pa­raître, dans la me­sure où le dis­po­si­tif fi­nal se­ra com­mu­ni­cant, ima­gine Jé­rôme Ponc ha­ral (Ro­ck­well Au­to­ma­tion). Ac­tuel­le­ment, le coût d’un cap­teur com­mu­ni­cant est en­core trop éle­vé. Les pro­to­coles Hart et Io-link ont donc en­core de beaux jours de­vant eux. » De plus, les ré­seaux Ether­net in­dus­triels sont loin de la sa­tu­ra­tion: le tra­fic de don­nées peut en­core croître. « L’au­to­mate reste ac­tuel­le­ment le con­cen­tra­teur des en­trées/sor­ties, mais n’est pas tou­jours adap­té pour les fonc­tions d’ana­lyse », conti­nue Jé­rôme Pon­cha­ral. Ain­si, les ser­vices dé­diés à l’ana­lyse de don­nées se mul­ti­plient, no­tam­ment chez les fa­bri­cants d’au­to­ma­tismes. À l’ave­nir, tout est donc ima­gi­nable en termes d’in­ter­net des ob­jets in­dus­triels.

Les en­trées/sor­ties em­barquent de l’in­tel­li­gence : les mo­dules peuvent par exemple faire re­mon­ter une alarme en fonc­tion de condi­tions pré­dé­fi­nies.

Les sys­tèmes mo­du­laires, au contraire des blocs, per­mettent de faire évo­luer le vo­lume d’en­trées/sor­ties.

Ether­net prend de plus en plus de place dans les usines. Mais les fa­bri­cants conti­nuent de faire vivre les bus de ter­rain plus an­ciens.

Ether­net ap­porte de la flexi­bi­li­té au ré­seau. Ce pro­to­cole per­met de mettre en place des to­po­lo­gies en étoile ou en an­neau.

Les contraintes en­vi­ron­ne­men­tales sont un cri­tère de choix im­por­tant : les mo­dules pré­vus pour être ins­tal­lés hors d’une ar­moire sont étanches.

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