De nou­veaux usages pour les mo­dules processeurs

Mesures - - Sommaire - An­toine Cap­pelle

Les mo­dules processeurs, cer­veaux des au­to­mates, gagnent en ca­pa­ci­tés de connexion et en puis­sance de cal­cul, no­tam­ment grâce à la mul­ti­pli­ca­tion des coeurs. En plus de leur fonc­tion pre­mière d’au­to­ma­tismes, ils ont de nou­veaux rôles à jouer dans le cadre de l’in­dus­trie connec­tée, pour for­mer une in­tel­li­gence dé­cen­tra­li­sée, ca­pable de col­lec­ter et de trai­ter les don­nées, ain­si que d’éta­blir des ponts avec les ser­vices en cloud.

Le pro­ces­seur, ou CPU (Cen­tral Pro­ces­sing Unit), est le cer­veau d’un au­to­mate. Les mo­dules por­tant ce com­po­sant sont sou­vent qua­li­fiés eux-mêmes de contrô­leurs ou d’au­to­mates. Le reste du sys­tème peut en­suite com­por­ter dif­fé­rents élé­ments, prin­ci­pa­le­ment les en­trées/sor­ties. « Le pro­ces­seur est le com­po­sant où s’exé­cutent les pro­grammes et où sont trai­tées les don­nées, bien que ce­la puisse être par­fois dé­cen­tra­li­sé », dé­crit Oli­vier Ram­bal­del­li, en charge du mar­ke­ting chez B&R Automation France (groupe ABB). « Le pro­ces­seur dé­fi­nit la puis­sance de cal­cul, ain­si que le nombre d’en­trées/sor­ties que le sys­tème peut gé­rer », in­dique Maxence Prou­vost, gé­rant de l’offre machine so­lu­tion chez Sch­nei­der Elec­tric. « Les mo­dules CPU sont ven­dus prin­ci­pa­le­ment aux fa­bri­cants de ma­chines, note Pierre Her­vy, res­pon­sable tech­nique chez Beck­hoff. Mais on en trouve dans tous les sec­teurs d’ac­ti­vi­té uti­li­sant des au­to­ma­tismes, jus­qu’aux bâ­ti­ments. » Cette brique se pré­sente sous dif­fé­rentes formes, se­lon les fa­bri­cants, de la carte élec­tro­nique au pe­tit PC em­bar­qué. Ces mo­dules CPU peuvent s’ins­tal­ler en rack comme en ar­moire élec­trique, sur rail DIN. De nom­breux fa­bri­cants pro­posent au­jourd’hui des au­to­mates mo­du­laires: leur pro­ces­seur est in­té­gré sous forme de carte ou de mo­dule. Ce­la per­met de mettre au point des sys­tèmes per­son­na­li­sés, ou évo­lu­tifs. « Si l’on veut ré­pondre à tous types d’ap­pli­ca­tions, il faut être adap­table », ex­plique Daniel Hen­gy, en charge des au­to­mates in­dus­triels chez Sch­nei­der Elec­tric. Si les pe­tits au­to­mates en bloc unique peuvent conve­nir

à de pe­tites ap­pli­ca­tions, les ma­chines ont ten­dance à être de plus en plus mo­du­laires, avec des ex­ten­sions d’en­trées/sor­ties. « La flexi­bi­li­té est un élé­ment clé, per­met­tant de pro­duire plus vite et à moindre coût des pro­duits va­riés », conti­nue Daniel Hen­gy. « L’uti­li­sa­teur peut ai­sé­ment faire évo­luer sa confi­gu­ra­tion ma­té­rielle, en ajou­tant une in­ter­face de com­mu­ni­ca­tion ou en pas­sant à une CPU plus puis­sante, sans rien chan­ger à son ap­pli­ca­tion, ex­plique Oli­vier Ram­bal­del­li (B&R Automation). La por­ta­bi­li­té du lo­gi­ciel ou des ap­pli­ca­tions est ga­ran­tie d’un mo­dule à l’autre. » De plus, cer­taines modifications ma­té­rielles, comme l’ajout de cartes, sont au­jourd’hui pos­sibles à la vo­lée, sans né­ces­si­ter l’ar­rêt de la pro­duc­tion. « La grande ten­dance pour ce type de pro­duits va vers de plus grandes ca­pa­ci­tés de com­mu­ni­ca­tion, com­mente Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). Les mo­dules ac­tuels ont plus de fa­ci­li­tés pour gé­rer les en­trées/ sor­ties et les dif­fé­rents types de ré­seaux, en par­ti­cu­lier sur Ether­net. » Les fa­bri­cants pro­posent ain­si un ca­ta­logue d’en­trées/ sor­ties va­riées : Tout-ou-rien (TOR), ana­lo­giques, mais aus­si des cartes mé­tiers (pour le pe­sage ou le comp­tage), des cartes de com­mu­ni­ca­tion pour dia­lo­guer avec un sys­tème de su­per­vi­sion, ou des bus de ter­rain, pour le cô­té ma­chines. « Notre gamme CX contient un cou­pleur in­té­gré pour les mo­dules d’en­trées/ sor­ties que l’on peut bran­cher sim­ple­ment, illustre Pierre Her­vy (Beck­hoff). Pour gé­rer ce­la sur un PC industriel, il fau­drait sor­tir sur un ré­seau de ter­rain, donc uti­li­ser un cou­pleur dé­por­té ».

Dif­fé­rentes op­tions de connexion

L’ap­proche mo­du­laire per­met ain­si d’ajou­ter plus fa­ci­le­ment de nou­velles re­cettes à un pro­cess, en in­té­grant des mo­dules sup­plé­men­taires pour gé­rer plus de convoyeurs. En re­vanche, en com­pa­rai­son d’un PC industriel, cer­taines ex­ten­sions sont moins adap­tées. « Nos PC em­bar­qués CX ne per­mettent pas de ra­jou­ter de cartes PCI, ou PCI Ex­press, qui pour­raient don­ner ac­cès à une connexion 5G ou ser­vir à bran­cher une ca­mé­ra, pré­vient Pierre Her­vy. C’est un sys­tème plus li­mi­té qu’une so­lu­tion au for­mat ITX. On pour­rait com­pa­rer ce­la à la dif­fé­rence entre une tour et un PC por­table. Sur ce der­nier, les modifications pos­sibles sont moindres ». Les mo­dules processeurs se dif­fé­ren­cient par la connec­tique qu’ils in­tègrent, comme les ports USB et sé­rie, qui peuvent ap­por­ter des fonc­tions de main­te­nance et de diag­nos­tic, ou CAN, qui sont em­ployés no­tam­ment pour les be­soins de connec­tique temps réel. Dans le cadre du rap­pro­che­ment entre l’in­for­ma­tique et les au­to­ma­tismes, les ports Ether­net ont aus­si leur im­por­tance. « Comme les in­dus­triels ont de plus en plus de re­cettes à gé­rer, il faut pouvoir se connec­ter à des da­ta­cen­ters pour ob­te­nir la bonne re­cette au bon mo­ment », illustre Maxence Prou­vost (Sch­nei­der Elec­tric). « Les clients de­mandent des com­mu­ni­ca­tions sur Pro­fi­net, Ether­net/ip ou MODBUSTCP/IP,

tous sur Ether­net », note Franz Aschl, di­rec­teur de l’in­no­va­tion chez Sig­ma­tek. Le stan­dard OPC UA, éga­le­ment sur Ether­net, est éga­le­ment de plus en plus uti­li­sé, son ob­jec­tif étant pré­ci­sé­ment d’uni­fier les ré­seaux de ter­rain avec les ré­seaux in­for­ma­tiques. Dans ce contexte, Sch­nei­der Elec­tric a fait le choix de conce­voir ses au­to­mates à 100 % sur Ether­net : « ce­la per­met de tra­ver­ser l’ar­chi­tec­ture de fa­çon trans­pa­rente, jus­qu’aux ac­tion­neurs, ar­gu­mente Daniel Hen­gy. Les mo­dèles plus an­ciens, eux, étaient conçus à par­tir d’un fond de pa­nier pro­prié­taire. » L’in­ter­fa­çage avec cer­taines cartes est ain­si fa­ci­li­té. Sch­nei­der Elec­tric offre par exemple une com­pa­ti­bi­li­té avec les cartes mé­tiers de ses par­te­naires, comme Scaime (pe­sage) ou Pro­syst (per­for­mances in­dus­trielles). Ether­net per­met éga­le­ment l’ac­cès à un ser­veur web em­bar­qué, une fonc­tion de plus en plus cou­rante. C’est une fa­çon simple de sto­cker et de mo­di­fier des ré­glages. Pour pro­té­ger les don­nées tran­si­tant sur le ré­seau Ether­net, il faut aus­si as­su­rer des fonc­tions de sé­cu­ri­té. Cer­tains mo­dules CPU pro­posent donc des fonc­tions de ré­seau pri­vé vir­tuel (VPN). La puis­sance de cal­cul est un autre fac­teur de dif­fé­ren­cia­tion des mo­dules processeurs. Le choix de ce cri­tère dé- pend no­tam­ment du nombre d’en­trées/sor­ties à contrô­ler. En com­pa­rai­son d’un PC industriel, les mo­dules CPU peuvent être « plus pe­tits, et sans ven­ti­la­teur ou autre sys­tème de re­froi­dis­se­ment », com­pare Fran­za­schl (Sig­ma­tek). Ils sont donc gé­né­ra­le­ment conçus pour fa­ci­li­ter la dis­si­pa­tion ther­mique, mais ce­la im­pose une contrainte sur la puis­sance qu’il est pos­sible d’at­teindre. « Grâce à l’évo­lu­tion des per­for­mances des processeurs, tant en termes de consom­ma­tion d’éner­gie que de ca­pa­ci­tés de trai­te­ment, tous nos mo­dules sont sans ven­ti­la­teur de­puis en­vi­ron trois ans », in­dique Oli­vier Ram­bal­del­li (B&R Automation). Le pro­ces­seur étant une source de cha- leur, une concep­tion fan­less im­pose éga­le­ment une li­mite à la puis­sance de cal­cul. Cette li­mite peut être contour­née grâce à cer­tains mo­dules d’en­trées/sor­ties spé­cia­li­sés, qui per­mettent de ré­duire la charge de trai­te­ment du pro­ces­seur.ain­si, cer­tains mo­dules as­surent l’ac­qui­si­tion de si­gnaux is­sus de cap­teurs, mais aus­si leur trai­te­ment. La don­née est ain­si four­nie au pro­ces­seur sous une forme di­rec­te­ment ex­ploi­table. « Ce type de mo­dule peut être plus ou moins i n t e l l i ge n t , dé­crit Oli­vier Ram­bal­del­li. Le prin­cipe de dé­cen­tra­li­sa­tion est in­té­res­sant lorsque l’on cherche une grande ra­pi­di­té. Le trai­te­ment de l’en­trée et la conver- sion peuvent être as­su­rés dans le mo­dule d’en­trée/sor­tie lui-même, en une mi­cro­se­conde. » Ce mode de fonc­tion­ne­ment est per­ti­nent pour des ap­pli­ca­tions telles que le rem­plis­sage, pour faire ré­agir un bec en fonc­tion du ni­veau at­teint dans un ré­ci­pient. « Ce­la ne rem­place pas la fonc­tion du pro­ces­seur, mais peut ré­pondre à des be­soins par­ti­cu­liers », pré­cise le res­pon­sable mar­ke­ting de B&R Automation.

Des processeurs peu gour­mands

Plu­sieurs types de processeurs se re­trouvent dans les mo­dules. Ceux D’ARM sont cou­ram­ment utilisés: « l’ar­ri­vée des processeurs ARM dans le monde de l’em­bar­qué a beau­coup contri­bué à l’évo­lu­tion des au­to­mates, rap­pelle Oli­vier Ram­bal­del­li. Ce­la a d’ailleurs pous­sé son concur­rent In­tel à dé­ve­lop­per des processeurs per­for­mants à basse consom­ma­tion. » La faible consom­ma­tion élec­trique des com­po­sants est d’au­tant plus im­por­tante pour les mo­dules les plus com­pacts. « Pour ces mo­dèles, nous avons op­té pour des processeurs ARM Cor­tex A8 », ex­plique-t-il. La mi­nia­tu­ri­sa­tion est une ten­dance gé­né­rale dans les au­to­ma­tismes, et ce­la se re­flète dans les gammes de mo­dules CPU. Bien sûr, ré­duire la taille peut im­po­ser une ré­duc­tion de la puis­sance de cal­cul: il faut donc trou­ver le com­pro­mis op­ti­mal. La pé­ren­ni­té des com­po­sants est aus­si un fac­teur im­por­tant pour les fa­bri­cants d’au­to­mates. Tous les processeurs ne sont pas égaux de ce point de vue. « Nos clients ont be­soin que nous as­su­rions une du­rée de vie im­por­tante à nos pro­duits, d’au moins 15 ans, rap­porte Fran­za­schl (Sig­ma­tek). Or les processeurs In­tel changent trop sou­vent, ce qui im­pose de re­voir la concep­tion de nos mo­dules pour nous y adap­ter. » Pour ces rai­sons, le fa­bri­cant au­tri­chien a fait le choix de s’orien­ter vers des processeurs de type Edge2. Les processeurs mul­ti­coeurs sont très utiles dans le cadre des au­to­ma­tismes. Ils per­mettent de mettre en place plus fa­ci­le­ment un mé­lange des genres: « il est pos­sible d’uti­li­ser un coeur pour lire les en­trées/sor­ties, tout en consa­crant un autre à d’autres pro­grammes, comme le contrôle de mouvements ou la com­mu­ni­ca­tion », pré­cise Franz Aschl. Les ques­tions de sé­cu­ri­té peuvent éga­le­ment être trai­tées par un coeur à part, pour as­su­rer des fonc­tions telles que le cryp­tage des don­nées pour UNVPN, ou la res­tric­tion des connexions. On trouve ain­si dans les au­to­ma­tismes

des processeurs pou­vant comp­ter jus­qu’à 12 coeurs. « Il y a 10 ans, les processeurs al­laient de plus en plus vite, rap­pelle Pierre Her­vy (Beck­hoff). Au­jourd’hui, la ten­dance est de mul­ti­plier les coeurs plu­tôt que d’en uti­li­ser un seul très puis­sant. » Ce­pen­dant, un pro­ces­seur à double coeur n’est pas deux fois plus puis­sant, car une telle ar­chi­tec­ture im­pose des échanges de don­nées entre les coeurs. Le pro­ces­seur peut être sé­cu­ri­sé par un sys­tème de re­don­dance. « Dans ce cas, le lien entre les deux processeurs est na­tif, pré­cise Daniel Hen­gy (Sch­nei­der Elec­tric). On ne dé­ve­loppe qu’un seul pro­gramme, et en cas de panne sur un pro­ces­seur, on bas­cule sur l’autre. » Et les fonc­tions de sé­cu­ri­té peuvent al­ler plus loin, en mê­lant sur le même mo­dule la ges­tion du pro­cess et celle des ar­rêts d’ur­gence. « Gé­né­ra­le­ment, un au­to­mate de sé­cu­ri­té est uti­li­sé spé­ci­fi­que­ment à cô­té de l’au­to­mate pro­cess, rap­pelle Daniel Hen­gy. Mais la tech­no­lo­gie ayant évo­lué, dans un cer­tain nombre de cas de fi­gure, il est pos­sible d’in­té­grer la par­tie sé­cu­ri­té avec la par­tie pro­cess. C’est une ten­dance qui existe de­puis quelques an­nées. » Le mo­dule com- porte, dans ce cas, un pro­ces­seur pour cha­cune des deux fonc­tions. Cette ap­proche ré­duit le coût glo­bal du sys­tème, son en­com­bre­ment et sim­pli­fie les câ­blages. Elle est in­té­res­sante lorsque l’ap­pli­ca­tion né­ces­site un pe­tit nombre d’ar­rêts d’ur­gence. Les mo­dules processeurs sont ini­tia­le­ment dé­diés aux fonc­tions d’au­to­ma­tismes. Mais avec le temps, ce­la évo­lue: ils sont em­ployés pour des ap­pli­ca­tions plus va­riées, grâce à l’aug­men­ta­tion de leurs ca­pa­ci­tés de cal­cul. La vi­sua­li­sa­tion fait éga­le­ment par­tie des nou­velles ca­pa­ci­tés des mo­dules. « On parle aus­si

beau­coup de fonc­tions edge, ou edge com­pu­ting, com­plète Oli­vier Ram­bal­del­li (B&R Automation). Ce concept est de plus en plus per­ti­nent dans l’in­dus­trie, et en par­ti­cu­lier dans l’in­ter­net des

ob­jets in­dus­triels (IIOT) ». Ce terme, ini­tia­le­ment lan­cé par Mi­cro­soft, dé­signe l’ac­qui­si­tion en temps réel de don­nées pro­ve­nant des cap­teurs et de ma­chines, leur sto­ckage tem­po­raire, leur trai­te­ment et leur en­voi vers un ser­vice en cloud. « Les au­to­mates clas­siques ne com­mu­niquent pas di­rec­te­ment avec le cloud, il faut un in­ter­mé­diaire pour jouer le rôle de pas­se­relle, pré­cise Pierre Her­vy (Beck­hoff). Seg­men­ter ain­si le ré­seau en pe­tits tron­çons ré­pond aux exi­gences de sé­cu­ri­té ». De plus en plus, les mo­dules CPU prennent en charge ces fonc­tions et de­viennent ce que l’on pour­rait qua­li­fier de «contrô­leurs edge». Une « nou­velle phi­lo­so­phie », es­time Franz Aschl (Sig­ma­tek). Ce­la est ren­du pos­sible grâce à l’amé­lio­ra­tion des ca­pa­ci­tés de cal­cul.tous les mo­dules, no­tam­ment les plus com­pacts, ne sont donc pas com­pa­tibles avec ce type d’ap­pli­ca­tions. Pour au­tant, ce rôle n’im­plique pas for­cé­ment le be­soin de nom­breux ports de com­mu­ni­ca­tion sur Ether­net. Deux peuvent suf­fire: l’un en en­trée, pour le ré­seau de ter­rain, et l’autre en sor­tie, pour en­voyer les in­for­ma­tions vers un ré­seau in­for­ma­tique. À l’ave­nir, dif­fé­rents fa­bri­cants équi­pe­ront leurs mo­dules processeurs d’une connexion 5G, « pour rendre les ma­chines au­to­nomes en termes de com­mu­ni­ca­tions », ex­plique Pierre Her­vy (Beck­hoff). Se­lon lui, l’in­dus­trie va ain­si pe­tit à pe­tit s’orien­ter vers une nou­velle fa­çon de par­ta­ger les don­nées: le mode «pu­bli­sher/sub­scri­ber». « Il s’agit de sous­crire à une source de don­nées, tout comme l’on s’abonne à un pod­cast », dé­crit-il. Cha­cun pour­ra ain­si re­ce­voir les in­for­ma­tions pro­ve­nant des équi­pe­ments qu’il a choi­si de suivre. Les mo­dules processeurs vont-ils conti­nuer d’évo­luer vers un ac­crois­se­ment de leur puis­sance de cal­cul? Si ce­la est tech­ni­que­ment pos­sible, l’as­pect pra­tique n’est pas si évident. « Je pense que nous irons vers une dis­tri­bu­tion de la puis­sance, plu­tôt que vers une grosse in­tel­li­gence cen­tra­li­sée, pré­voit Franz Aschl (Sig­ma­tek). Les choses sont plus fa­ciles à contrô­ler ain­si. De plus, ce­la évite les pro­blèmes liés au re­froi­dis­se­ment. » En ef­fet, le risque de la cen­tra­li­sa­tion est de tout blo­quer en cas de dys­fonc­tion­ne­ment. Alors qu’avec une in­tel­li­gence dis­tri­buée, les ma­chines peuvent conti­nuer de fonc­tion­ner si un élé­ment du parc tombe en panne. À ce­la s’ajoute la ques­tion de la pro­gram­ma­tion : plus un pro­ces­seur est puis­sant, plus il né­ces­site un pro­gramme com­plexe. Ain­si, l’étape de dé­ve­lop­pe­ment peut être sim­pli­fiée en ré­par­tis­sant les dé­ve­lop­peurs sur des par­ties dif­fé­rentes du pro­jet, plu­tôt que de les faire tra­vailler tous en­semble sur un même pro­jet. « De plus, ce­la per­met de pré-tes­ter les dif­fé­rentes par­ties d’une machine, et de les as­sem­bler en­suite, ar­gu­mente le di­rec­teur de l’in­no­va­tion de Sig­ma­tek. Cer­tains de nos clients pensent dé­jà de cette fa­çon. Le sec­teur au­to­mo­bile l’a com­pris éga­le­ment : au­jourd’hui, les voi­tures comptent jus­qu’à une tren­taine de processeurs par vé­hi­cule, tan­dis qu’elles n’uti­li­saient qu’un seul mi­cro­con­trô­leur au dé­but des an­nées 1980. » Ain­si, l’évo­lu­tion de l’in­dus­trie vers l’in­ter­net des ob­jets (IOT) de­vrait s’ac­com­pa­gner d’un usage dif­fé­rent des mo­dules processeurs. Ceux-ci se­ront plus connec­tés, pour ef­fec­tuer des fonc­tions nou­velles, de fa­çon dis­tri­buée, et l’aug­men­ta­tion de la puis­sance de cal­cul ne se­ra plus le prin­ci­pal axe d’évo­lu­tion.

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