IIoT et PLC : coexistence, et non confrontation

L'Internet industriel des objets promet de reconcevoir les machines, de réorganiser les processus et d'exploiter la puissance du Big Data (mégadonnées) pour améliorer la productivité et la rentabilité. D'après certains, des architectures et des dispositifs familiers comme les contrôleurs logiques programmables (PLC) pourraient disparaître. Selon un autre point de vue, l'explosion de la collecte de données entraînera une évolution vers un nombre encore plus important de dispositifs plus petits, tels que des micro-PLC ou nano-PLC, pouvant être déployés pratiquement partout dans l'usine.

Le Big Data, une nouvelle idée ?

L'Internet industriel des objets repose sur la collecte de grandes quantités de données provenant de processus et d'équipements, en vue d'une analyse intensive dans le cloud. L'objectif est de favoriser la réoptimisation et la réorganisation des processus, en poursuivant des améliorations telles que la réduction des déchets et une réponse plus rapide aux demandes des clients. Les usines de la quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0) seront probablement dotées de plusieurs milliers de capteurs répartis dans les équipements et les zones de travail, qui rendront compte d'aspects aussi divers que les courants et les vibrations des moteurs, la température et l'humidité ambiantes, les mesures de test et d'inspection du produit final, les numéros de série, les numéros de lot et les horodatages.

Le succès de l'Industrie 4.0 exige que ces milliers de canaux de données soient efficacement collectés dans le cloud pour être stockés, hiérarchisés, regroupés et analysés, et finalement transformés en instructions améliorées à communiquer aux machines, et en informations permettant de prendre des décisions commerciales intelligentes. La conception des machines, des systèmes de contrôle et des réseaux de communications d'usine devrait évoluer de manière significative, ce qui pourrait constituer une menace pour les dispositifs en place, tels que les contrôleurs logiques programmables (PLC), qui ont jusqu'à présent dominé les tâches de collecte, de traitement et de contrôle des données dans l'automatisation classique.

Le désir de collecter davantage de données pour améliorer le rendement de fabrication et aider à la prise de décisions commerciales n'est pas né avec l'Industrie 4.0. Les entreprises cherchent à collecter des quantités croissantes de données provenant des équipements et à automatiser les échanges entre les systèmes analytiques de back-office et d'usine depuis bien avant le cloud. Le PC industriel (IPC) est un exemple de concept qui a vu le jour pour permettre l'automatisation sur PC avec les avantages d'un flux de données continu vers et depuis les décideurs sur le réseau LAN de l'entreprise. Le PLC conserve toutefois plusieurs avantages, notamment une longue durée de vie et une haute fiabilité, et il a évolué pour répondre aux besoins du marché en augmentant la capacité de traitement, en offrant des fonctionnalités supplémentaires et en intégrant des normes basées sur PC.

Confrontation

La prolifération des capteurs et d'autres activités de collecte de données dans les usines de la prochaine ère industrielle pourrait potentiellement dépasser les capacités des PLC actuels. Certains suggèrent que les données de capteurs seront collectées directement dans le cloud à l'aide d'un protocole léger tel que MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Un avantage majeur pour l'environnement de fabrication actuel, riche en données, est que le protocole MQTT peut ignorer de grandes quantités de données immuables pouvant engorger les réseaux lors de l'utilisation de protocoles conventionnels de type interrogation/réponse. Le modèle de publication/abonnement du protocole MQTT permet aux capteurs intelligents de publier uniquement les nouvelles données pour les dispositifs configurés pour les recevoir. Certaines plateformes sociales et IoT grand public importantes sont connues pour tirer parti des faibles exigences en bande passante, de la faible latence et de la faible consommation d'énergie du protocole. Le protocole MQTT est bien adapté à une utilisation dans les systèmes de contrôle, et les modules MQTT pourraient fournir une voie pour envoyer les données IIoT directement dans le cloud. Il peut s'agir d'un moyen pratique de traiter les données générées par le grand nombre de capteurs répartis dans l'usine connectée.

Coexistence

Alternativement, un PLC centralisé conventionnel pourrait être remplacé par plusieurs PLC plus petits, placés plus près des capteurs qu'ils surveillent et des mécanismes qu'ils contrôlent. Les micro-PLC ou nano-PLC, conçus pour la communication dans le cadre de l'IIoT, font leur apparition pour remplir ce type de rôle, en fournissant des canaux E/S dans une empreinte compacte avec des options d'extension modulaires.

Crouzet répond à cette opportunité avec sa gamme de nano-PLC em4, notamment l'em4 Ethernet. L'em4 mesure 124,6 mm x 90 mm, et offre une sélection de sorties de relais et d'E/S analogiques et numériques. Des modules d'extension E/S numériques et analogiques sont également disponibles, offrant la flexibilité nécessaire pour répondre aux besoins des grandes et des petites installations. Les modules peuvent être programmés ou débogués depuis tout emplacement du réseau local, et ils peuvent être connectés à Internet à la demande, sans module supplémentaire (Figure 1). En tant que moyen pratique de collecter des données de capteurs, l'em4 peut envoyer des journaux de données programmés simples par e-mail ou FTP, ou envoyer des alertes par e-mail sous le contrôle du programme d'application. Il peut communiquer avec jusqu'à 16 autres dispositifs sur le réseau, et détecter automatiquement jusqu'à 8 unités em4 connectées. Un écran monochrome 18 x 4 et un clavier à 6 boutons permettent de commander le PLC directement depuis son panneau avant.

Figure 1 : Le nano-PLC em4 Ethernet se connecte facilement à d'autres équipements sur le réseau local ou sur Internet.

Panasonic propose un PLC ultracompact, adapté à la surveillance et au contrôle distribués, ou à la miniaturisation des équipements. La série FP0R a une hauteur de 90 mm et une largeur de 25 mm, et fournit des E/S, y compris des sorties d'impulsions qui permettent la commande de moteurs multi-axes. Il est possible d'ajouter jusqu'à 3 modules d'extension. La mémoire FeRAM intégrée fournit une sauvegarde automatique des données sans batterie, ce qui permet de mettre l'équipement hors tension sans perdre de données. Le PLC peut partager des informations avec jusqu'à 16 dispositifs similaires par le biais d'une fonction PLC-Link connectée à un réseau Ethernet via un module FP Web Server 2. Les autres fonctionnalités pour la commande moteur incluent des compteurs et des sorties PWM. Les modules CC_LINK et IO/LINK connectables utilisant des protocoles populaires offrent une flexibilité supplémentaire pour la mise en réseau et la surveillance des capteurs. L'em4 de Crouzet et le FP0R de Panasonic sont programmés à l'aide des logiciels de programmation standard des fabricants.

Avec sa plateforme Micro PLC (Figure 2), Maxim Integrated vise à offrir davantage de performances dans un volume beaucoup plus petit que celui des PLC traditionnels. Les modules E/S numériques et analogiques Micro PLC, comme le module de sortie analogique 0-10 V MAXREFDES60, tiennent dans un espace de la taille d'une carte de crédit. Ce facteur de forme permet aux développeurs d'atteindre une connectivité comparable à celle d'un PLC standard dans environ 10 % de l'espace et avec une consommation d'énergie réduite de moitié. D'autres modules Micro PLC sont disponibles, notamment un module d'entrée analogique à 4 canaux, des modules d'entrée et de sortie numériques à 8 canaux et une carte de communications RS-485. Tous sont accompagnés de code source C d'exemple et de données de test pour accélérer l'implémentation de la prochaine génération de PLC compacts prêts pour l'Industrie 4.0.

Figure 2 : Le Micro PLC de Maxim Integrated est une plateforme modulaire compacte qui permet à l'utilisateur de choisir parmi une sélection de cartes E/S de la taille d'une carte de crédit.

Conclusion

Les PLC ont évolué tout au long de l'histoire de l'automatisation industrielle pour fournir un moyen fiable et robuste de surveiller et de contrôler les processus et les équipements. En s'adaptant aux exigences du marché et aux nouvelles normes de connectivité et de communication, le PLC continue d'être largement utilisé par les concepteurs d'équipements industriels et d'usines. Les derniers facteurs de forme micro et nano devraient consolider la position du PLC dans l'IIoT et au cœur de l'Industrie 4.0.