Rôle des PLC dans le contrôle industriel et le test et la mesure

Les contrôleurs logiques programmables (PLC) sont des ordinateurs industriels qui permettent d'effectuer les tâches suivantes :

• Surveiller et contrôler les applications d'automatisation industrielle
• Exécuter les tâches liées aux opérations de test et de mesure
• Exécuter des fonctions de type processus (y compris celles liées aux systèmes CVC) qui dépassent le cadre de cet article.

Les PLC reçoivent des données provenant de capteurs et de dispositifs d'entrée, traitent ces données pour prendre des décisions logiques et transmettent des instructions de commande à des systèmes mécaniques ou électriques. Il s'agit d'un type de système embarqué qui combine le processeur et la mémoire d'un ordinateur avec des dispositifs entrée/sortie (E/S) — un peu comme la logique câblée basée sur des relais et la logique basée sur PC avec lesquelles ils sont en concurrence.

En termes de format physique, les PLC actuels sont diversifiés, s'étendant d'un ordinateur très simple ayant la morphologie d'une puce intégrée à un vaste ensemble monté en rack de sous-composants de contrôleur logés dans de multiples châssis. Les PLC plus simples basés sur des microcontrôleurs ou les PLC prenant la forme d'un système sur puce (SoC) peuvent être extrêmement fiables et fonctionner avec une alimentation très modeste. En revanche, les PLC les plus complexes brouillent les frontières entre ce qui constitue un PLC et les ordinateurs à usage général pour le contrôle industriel en temps réel … bien que la fiabilité et les performances en temps réel restent l'apanage des premiers.

À l'origine, les PLC étaient destinés à remplacer directement la logique de commande câblée basée sur des relais et des séquenceurs rotatifs. Ces premiers PLC ne devaient effectuer que des opérations de base en transformant les entrées en sorties. Toutes les tâches de la machine nécessitant une commande proportionnelle, intégrale et dérivée (PID) étaient confiées à l'électronique analogique connectée. Aujourd'hui, les commandes PID ainsi que des opérations encore plus sophistiquées font partie intégrante des jeux d'instructions des PLC.

En fait, les fonctions attendues des PLC ont augmenté au fil du temps — de sorte qu'aujourd'hui, de nombreux PLC sont assez sophistiqués et capables d'exécuter des routines complexes et adaptatives. L'augmentation constante de la puissance et la diminution de la taille des puces à semi-conducteurs (grâce à la loi de Moore) ont permis d'obtenir une intelligence sans précédent à partir de contrôleurs plus petits. Cette tendance se poursuit avec la prise en charge intégrée du contrôle de mouvement, des systèmes de vision et des protocoles de communications. À l'autre extrémité du spectre des tailles de PLC, certains contrôleurs d'automatisation programmables (PAC) intègrent un PLC avec un PC pour remplacer les PLC et les systèmes de contrôle propriétaires (s'exécutant avec des langages de programmation propriétaires) pour certaines applications. Aujourd'hui, de plus en plus de PLC sont également intégrés dans des interfaces homme-machine (IHM).

L'environnement numérique industriel dans lequel les PLC fonctionnent

Aujourd'hui, l'automatisation industrielle repose sur le retour d'informations des machines et les données d'exploitation, ainsi que sur des interconnexions complexes entre les dispositifs numériques pour :

• Contrôler les dispositifs numériques.
• Exécuter des capacités avancées, comme celles liées à la connectivité IIoT et à la reconfigurabilité des machines, par exemple.
• Permettre à l'homme de prendre des décisions concernant diverses conditions opérationnelles et liées aux machines.
• Améliorer la productivité globale et la qualité des pièces.

De telles installations automatisées incluent des systèmes d'informations disparates pour stocker, traiter et fournir ces données.

Les systèmes de planification des besoins en composants ou de planification des ressources de fabrication (MRP) assurent la planification de la production, le planning, la gestion financière et le contrôle des stocks. Par contraste, les systèmes d'historisation stockent les données de séries temporelles provenant de capteurs et d'instruments pour un tracé graphique afin d'aider les opérateurs et les systèmes de gestion à comprendre et à traiter les tendances de l'automatisation. Le contrôle statistique des processus (SPC) est une application d'historisation.

Les interfaces homme-machine (IHM) sont des panneaux de commande de machines (ou des modules se connectant sans fil à des dispositifs mobiles) qui permettent aux opérateurs humains de visualiser des données et d'émettre des commandes. Les systèmes de contrôle et d'acquisition de données (SCADA), qui permettent de contrôler et de surveiller en temps réel les interactions entre les machines automatisées et leurs IHM et leurs applications d'historisation, sont étroitement liés aux fonctions des IHM. Grâce à SCADA, une IHM peut contrôler plusieurs machines … et afficher les données relatives à plusieurs dispositifs.

Les systèmes d'exécution de la fabrication (MES) incluent des fonctions telles que la planification des opérations et la collecte de données. D'une certaine manière, on peut considérer qu'ils se superposent aux systèmes MRP et SCADA.

Les systèmes de planification des ressources de l'entreprise (ERP) intègrent les systèmes d'informations MRP, MES, PLM (gestion du cycle de vie des produits) et CRM liés à la fabrication. Les systèmes ERP peuvent être des suites logicielles monolithiques qui gèrent toutes ces fonctions … ou un système ERP central qui interface avec des applications spécialisées de plusieurs fournisseurs. En général, seule la direction interagit avec le système ERP — et la plupart des employés d'une organisation donnée interagissent avec l'un des systèmes qui le composent.

Les PLC fonctionnent généralement à un niveau inférieur à ces systèmes d'informations. Ils envoient et reçoivent des informations vers et depuis des machines, des moteurs et des capteurs. Ils peuvent également interagir avec le niveau d'informations supérieur, en envoyant des données aux systèmes d'historisation ou SCADA, ou en recevant des entrées de commande du système SCADA ou de l'IHM. Des PLC plus sophistiqués peuvent également remplir des fonctions SCADA et d'historisation … et même des fonctions IHM dans un nombre croissant de cas.

Figure 1 : Les PLC fonctionnent généralement à un niveau inférieur à celui des systèmes d'informations d'automatisation. (Source de l'image : Jody Muelaner)

Notez que les PLC ne sont pas seulement impliqués dans l'automatisation : Ils sont également utilisés pour contrôler les bancs d'essai (développement de produits) et les activités de mesure en laboratoire.

• Comme décrit ci-dessus, l'automatisation met généralement l'accent sur les diagnostics et exige un fonctionnement déterministe en temps réel du PLC pour une réelle efficacité.
• En revanche, les PLC utilisés dans les tâches de mesure mettent davantage l'accent sur l'exécution rapide et précise de la collecte de mesures et d'autres formes d'acquisition de données.

Pour les tâches d'automatisation des machines, les PLC reposent sur un traitement en temps réel où le délai entre une entrée et la sortie de réponse se mesure en millisecondes. Un système d'exploitation en temps réel (RTOS) est nécessaire pour toutes les fonctions du PLC, sauf les plus simples. Si de nombreux PLC utilisent encore des systèmes d'exploitation propriétaires, les systèmes d'exploitation standard ouverts suscitent un intérêt croissant. Un exemple concret : VxWorks est un RTOS propriétaire dont la licence est largement utilisée dans le domaine du contrôle industriel. Il est utilisé par plusieurs grands fabricants de robots, dont Kuka et ABB. Une variante open-source est FreeRTOS, distribué gratuitement sous licence MIT open-source. FreeRTOS inclut diverses bibliothèques Internet des objets (IoT) pour un large éventail d'applications automatisées. Pour en savoir plus sur cette option, consultez l'article de DigiKey traitant de la connexion rapide et sécurisée des conceptions au cloud en utilisant Amazon FreeRTOS.

Pour les tâches de test et de mesure, les PLC s'appuient sur le traitement en temps réel où le délai entre les mesures des dispositifs de terrain et leur collecte se mesure en millisecondes. L'époque où les ingénieurs n'avaient d'autre choix que d'utiliser des convertisseurs d'interface et des systèmes de canaux de transfert est révolue. Désormais, les périphériques intelligents et les ensembles d'E/S offrent une collecte de signaux avancée et simplifiée via des entrées numériques et analogiques.

Aujourd'hui, les ingénieurs disposent également d'un plus grand nombre d'options basées sur des interfaces standardisées et sur la compatibilité entre fabricants de composants pouvant servir de composants interopérables.

Il suffit de penser aux composants E/S avec fonctionnalité PLC intégrée. Ils sont compatibles avec les IHM configurables fonctionnant sous Windows ou Linux et disposant d'une connectivité Ethernet, mais ils n'offrent pas d'options de réétalonnage facile ni d'E/S analogiques pour les dispositifs de terrain qui génèrent des signaux analogiques basse tension. Ces composants E/S fonctionnent également avec des PLC configurés pour collecter des données à partir de dispositifs E/S distants … et directement à partir de capteurs via leurs propres E/S embarquées.

Figure 2 : Les dispositifs d'acquisition de données (DAQ) multifonctions T7 incluent une connectivité Ethernet, USB, Wi-Fi et Modbus pour fonctionner avec un large éventail de dispositifs de terrain, et des IHM et des PLC industriels. La connectivité Modbus/TCP, en particulier, confère une contrôlabilité par le biais de diverses options logicielles et matérielles tierces pour une ouverture et une flexibilité de pointe — ce qui permet aux architectes de systèmes industriels et aux ingénieurs en recherche et développement (R&D) de faire des choix indépendants des fournisseurs pour leurs applications de collecte de données et d'automatisation. (Source de l'image : LabJack)

Bien sûr, les PLC ne sont pas la seule option pour l'automatisation des machines ou les applications de test et de mesure. Le contrôle industriel étant devenu plus complexe, certains fournisseurs en sont venus à différencier certains matériels en tant que contrôleurs d'automatisation programmables (PAC) pour indiquer des capacités avancées … et dans de nombreux cas, plusieurs processeurs sur un seul matériel. En réalité, les PLC ont également connu une sophistication croissante, de sorte qu'il n'y a pas de règle absolue pour déterminer quand un matériel qui exécute des fonctions PLC constitue un PAC. La plupart des PAC intègrent les aspects PLC et PC pour servir de systèmes d'automatisation complexes comprenant plusieurs applications basées sur PC ainsi qu'une IHM et un système d'historisation. Une différenciation claire est que les PAC sont plus faciles à utiliser pour les développeurs, car les PAC ont une architecture plus ouverte que les contrôleurs traditionnels.

Les PLC modulaires constituent aujourd'hui une nouvelle option. Ils sont composés de modules qui remplissent différentes fonctions. Tous les PLC doivent inclure un module CPU qui comprend le processeur et la mémoire pour le système d'exploitation et le programme. Il peut y avoir un module d'alimentation séparé et des modules d'entrée/sortie (E/S) supplémentaires. Un PLC peut inclure des modules E/S numériques et analogiques. Un autre module peut être nécessaire pour les communications réseau.

Le PLC peut être soit intégré — avec tous les modules dans un seul boîtier — soit modulaire. Les PLC intégrés sont plus compacts, mais les PLC modulaires sont plus polyvalents. Ils permettent généralement de connecter facilement plusieurs modules entre eux, soit en les branchant directement les uns aux autres, soit en utilisant un rack commun comme bus. L'adressage des modules dépend de leur position sur le bus. Bien que l'aspect de support physique du rack puisse être conforme à une norme telle que DIN, le bus de données est typiquement la propriété du fabricant de PLC.

Le rôle des PLC dans l'IoT

À mesure que l'intérêt pour l'Industrie 4.0 (également appelée IIoT) grandit, les utilisateurs industriels s'attendent de plus en plus à avoir la possibilité de connecter leurs contrôleurs industriels aux réseaux d'entreprise à l'aide de protocoles Internet. Il s'agit d'une communication utilisant le protocole de contrôle de transmission (TCP) et le protocole Internet (IP) ou TCP/IP. Cependant, la tendance IIoT ne se limite pas à l'utilisation de protocoles Internet. Elle concerne également l'apprentissage automatique et les mégadonnées (big data). À mesure que les PLC deviennent plus puissants (et que les contrôles plus avancés font des fonctions PLC une caractéristique), ils hébergent des fonctions telles que des systèmes de vision. La connectivité Internet permet également aux ingénieurs (via les PLC du système) d'exploiter des algorithmes basés cloud pour le traitement d'ensembles de données extrêmement volumineux — également appelés mégadonnées ou big data — pour l'apprentissage automatique.

Dans les applications pratiques, EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) excelle pour de telles fonctionnalités PLC IIoT. Il s'agit d'un protocole de communications basé sur Ethernet, adapté aux applications de contrôle en temps réel avec des temps de cycle inférieurs à 0,1 ms — la technologie Ethernet industrielle la plus rapide avec la capacité de se synchroniser avec une précision de l'ordre de la nanoseconde. Un autre avantage important est la flexibilité de la topologie du réseau EtherCAT qui fonctionne sans concentrateur ni commutateur de réseau. Les dispositifs peuvent simplement être connectés en chaîne dans une configuration arborescente, en anneau, en ligne ou en étoile. PROFINET est une norme concurrente offrant des capacités similaires.

Conclusion

La tendance actuelle en matière de collecte de données et de contrôle industriel de plus en plus sophistiqués va se poursuivre. Cela signifie que les PLC pour l'automatisation industrielle et les applications de test et de mesure ressembleront de plus en plus à des PAC … et s'intégreront aux systèmes d'historisation et SCADA. Les protocoles Internet et les normes ouvertes telles qu'EtherCAT connaissent également une adoption progressive pour les communications PLC. Cette connectivité favorisera à son tour une utilisation accrue des technologies de l'Industrie 4.0, telles que l'analyse des mégadonnées et l'apprentissage automatique, en partie facilitée par la possibilité de distribuer la puissance de traitement et la mémoire requis pour :

• Cloud computing
• Périphériques capables de traiter des données

En marge de ces tendances, il restera nécessaire de disposer de PLC plus traditionnels pour exécuter des fonctions de contrôle et de test et de mesure relativement simples, avec une fiabilité et un rendement énergétique maximum.