L es réseaux de communication industriels s'étendent de plus en plus et transforment l'industrie, au point que l'on parle de nouvelle révolution industrielle. Qu'on l'appelle «Usine du futur» ou «Industrie 4.0», l'interconnexion est le maître mot de cette tendance. Mais les communications de terrain ne suffisent plus. Les données collectées par les différents systèmes sont précieuses, et les transmettre vers les niveaux supérieurs du réseau peut apporter des avantages en termes de supervision, de maintenance, voire de gestion des stocks. « Les machines ne doivent plus seulement être interconnectées au niveau de la production, mais aussi capables de remonter des informations vers les systèmes de type MES [Manufacturing Execution System ou gestion des processus industriels, NDLR] ou ERP [Enterprise Resource Planning ou progiciel de gestion intégré, NDLR] », commente GregoryThami, responsable du réseau de distribution de HMS.

La collecte de données par un maximum de capteurs et de machines permet de suivre en temps réel l'état d'une production, ou de mettre en place un système de maintenance préventive.

« Il faut ouvrir les informations vers les systèmes informatiques,pour donner de la visibilité en termes de qualité de production,d'indicateurs d'avancement », plaide Jérôme Poncharal, architecte solution automatismes et logiciels chez Rockwell Automation. Cette démarche peut ouvrir de nouvelles opportunités, comme par exemple la personnalisation d'une commande: « si un client veut acheter un modèle de voiture avec des spécifications particulières,comme des rétroviseurs rouges,alors il faudra faire en sorte que les bonnes pièces arrivent au bon moment au pied de la machine »,continue GregoryThami (HMS). L'information proviendra par exemple du système ERP.

Connecter des systèmes hétérogènes

L'interconnexion ne s'arrête plus aux murs de l'usine: elle s'étend à travers la planète. Les sites industriels sont en effet reliés entre eux, et de plus en plus d'applications se font désormais en ligne –sur le cloud. Mais les usines sont encore largement équipées de matériels hétérogènes, conçus par des fabricants différents et n'ayant pas été optimisés pour ce genre de communications. Les différents systèmes ne parlent donc pas toujours le même langage. De plus, le monde de l'informatique fonctionne bien différemment de celui de l'industrie et n'a pas les mêmes priorités.Alors quels standards de communication adopter?

« Cette tendance a connu une progression continue depuis des années, rappelle Jérôme Poncharal (Rockwell Automation). Il y avait auparavant une segmentation naturelle entre l'informatique,la robotique ou le process. Chaque système avait sa technologie propre,et aujourd'hui tout fusionne en un système plus plat, qui pose de nouveaux défis. Cette fusion des infrastructures nécessite une nouvelle approche plus globale. Il faut apporter flexibilité et agilité aux systèmes industriels ».

L'usine du futur sera toujours plus connectée, avec des systèmes informatiques internes, mais aussi avec l'extérieur. Cela nécessite l'usage de protocoles de communication les plus universels possibles.

Cela met en jeu plusieurs problématiques. D'abord, la pérennité du matériel: « l'électronique embarquée dispose de capacités de calcul plus ou moins élevées », explique Jérôme Poncharal. Cela détermine la capacité de l'équipement à traiter plus ou moins d'informations, plus ou moins rapidement. Et cela peut limiter l'adoption de technologies récentes. Cela est en lien direct avec la question logicielle: « les protocoles de communication sont du logiciel , rappelle Jérôme Poncharal. C'est l'étage qui permet de communiquer entre dispositifs. Or certains protocoles ont été conçus de façon relativement figée et limitée, tandis que d'autres sont conçus de façon plus informatique et sont par essence évolutifs et extensibles ».

Les bus de terrain, de type Modbus ou Profibus, cèdent petit à petit leur place. « Ils ne sont plus utilisés sur les nouvelles ins-tallations », observe Stéphane Potier, ingénieur expert des réseaux industriels chez B&RAutomation (groupeABB). Ils sont petit à petit remplacés par des standards basés sur Ethernet, comme Profinet, Powerlink ou EtherNet/IP. « Ces derniers permettent d'accéder à toutes les technologies web, comme les serveurs embarqués.Ils donnent accès à des firmwares pour des mises à jour rapides et efficaces », décrit Stéphane Potier. L'Ethernet industriel permet aussi de rassembler des tâches diverses, qui étaient parfois réalisées à l'aide de protocoles différents: « il est possible de n'avoir qu'un seul câble pour tout faire dans la machine, explique Stéphane Potier. Avant, on trouvait souvent des protocoles maison pour la variation de vitesse, par exemple.Les architectures propriétaires étaient mélangées avec les bus de terrain ».

Le protocole IO-Link, conçu pour communiquer avec les capteurs et les actionneurs, est soutenu par de nombreux fabricants d'équipements.

Ethernet facilite également l'interfaçage avec un réseau informatique. Mais cela n'est pas sans risques: « quel que soit le protocole Ethernet utilisé, il faut s'assurer de la maîtrise du réseau, au risque de voir l'installation industrielle perturbée , prévient Franck Noyaret, chef produit réseau industriel et identification chez Siemens. Si l'informatique peut se permettre des arrêts de quelques secondes, en production, cela n'est pas sans conséquences. Le réseau est le même, mais les besoins sont différents. » Il faut donc les isoler et ne permettre la communication qu'à travers une seule «porte» sécurisée. « Il est tout à fait possible de faire cohabiter des protocoles ouverts sur le monde Ethernet à travers des réseaux locaux virtuels (VLAN) », continue Franck Noyaret. « Ethernet n'est qu'un support, rappelle Antonio Dos Santos, responsable produits entraînements électriques chez Bosch Rexroth. Il existe aujourd'hui une multitude de protocoles basés sur Ethernet : on ne peut pas dire qu'il y ait un consensus sur ceux qui seraient à privilégier.Chaque chapelle met en avant ses arguments. » Les principaux fabricants d'automatismes ont en effet choisi de travailler avec un protocole donné. Rockwell Automation utilise EtherNet/IP : « c'est un protocole orienté industrie, qui répond aux besoins de contrôle commande. Il convient au contrôle d'axes, à la régulation. Il permet de mettre en place la sûreté de fonctionnement et de s'interfacer avec le monde de la conduite de process », décrit Jérôme Poncharal. Siemens utilise le protocole Profinet: « Les composants d'infrastructure sont intégrés dans ce protocole, explique Franck Noyaret. Les cartes d'entrées/sorties ne sont pas séparées des automates. Il est possible d'avoir un diagnostic sur chaque composant. Tous nos commutateurs sont vus comme des cartes et peuvent remonter des informations à l'automate en cas de problème. » Ces deux protocoles sont les plus utilisés sur Ethernet. Ils devraient compter cette année pour 11% chacun de parts de marché, selon une estimation de HMS ( voir figure page 35 ).

Mais comment rendre interopérables tous les éléments de l'usine du futur? « Ce n'est pas problématique, estime Jérôme Poncharal (RockwellAutomation). Il est possible d'utiliser des passerelles pour faire la conversion. » Ces dispositifs permettent en effet de transposer des informations d'un protocole à un autre. « Mais nous allons de plus en plus vers la communication directe, continue-t-il. Le protocole CIP, qui est à l'origine d'EtherNet/IP, est capable de comprendre Modbus. C'est un protocole suffisamment ouvert. Cependant, la puissance de calcul peut être une vraie contrainte et empêcher un système d'accepter de nouveaux logiciels, notamment des firmwares avec les fonctionnalités requises ».

Cibler les informations à remonter

« Il peut arriver que l'on change du matériel lorsqu'il fonctionne sur un bus trop ancien, mais c'est une démarche plutôt rare », observe Stéphane Potier (B&R Automation). Le matériel industriel a une durée de vie élevée, et son remplacement représente un coût important. On peut ainsi trouver des parcs de machines très hétérogènes, avec des degrés de technicité différents. Souvent, il faut donc gérer l'intégration du parc existant, dans une démarche de modernisation. Généralement, les nouveaux automates sont capables de gérer les anciens protocoles. Cette fonction peut être intégrée ou s'obtenir via des cartes optionnelles. Cela évite le recours aux passerelles.

La question se pose également dans le cas des capteurs: peut-on faire remonter leurs données sans les changer? Le pro-tocole IO-Link ( voir Mesures n° 864 ) devrait pour cela trouver sa place dans l'usine du futur. Soutenu par de nombreux fabricants, dont Siemens, Sick ou encore Pepperl+Fuchs, il permet de communiquer avec les capteurs et actionneurs, en utilisant le raccordement à 3 fils déjà établi. Pour ce type d'application, « les protocoles sont une partie du problème, admet Antonio Dos Santos (Bosch Rexroth). Mais la vraie problématique, quels que soient les protocoles ou la vétusté de la machine, c'est de savoir ce que l'on veut remonter comme information. La vétusté est parfois un faux problème. » L'usine connectée passe donc par un bon cahier des charges, qui détermine quelles données sont importantes, et pour quelle utilisation. Veut-on faire de la maintenance, de l'amélioration de la performance ou une analyse particulière?

« Nous avons appliqué cette approche à nos propres usines, et notamment sur le site de Rodez,qui est de ce point de vue le plus avancé, raconteAntonio Dos Santos. Une fois que l'objectif est défini,nous devons composer avec les machines existantes,anciennes et nouvelles. Les supports d'information comme les données sont hétérogènes. » Les capteurs Tout-Ou-Rien (TOR) et les capteurs filaires, comme les sondes de température ou les accéléromètres, peuvent côtoyer des automates connectés sur Profibus,ou des systèmes intelligents communiquant en Wi-Fi ou exploitant la technologie RFID avec des protocoles particuliers.

Pour répondre à cette problématique, Bosch-Rexroth a développé l'IoT Gateway, un système permettant de mettre en forme l'ensemble des données récoltées afin de les mettre àdis-position des niveaux supérieurs. « C'est une agrégation d'applications, basées sur une plateforme Java virtuelle, qui s'installe sur un contrôleur et s'adapte aux différents types de capteurs connectés », précise Antonio Dos Santos. Ce système permet donc de composer avec le contexte existant, sans le perturber ni ajouter de couches logicielles aux automates. On passe ainsi du terrain au niveau de la gestion de pro-duction, sans transformer les protocoles de communication.

« Cela oblige à structurer la démarche, en se demandant quelles informations sont produites par une machine,et quelle est leur localisation, argumente Antonio Dos Santos .Enfin, cela facilite l'intégration de machines anciennes. » Mais quelles que soient les solutions existantes pour gérer un parc hétérogène, « il est important de sensibiliser les fabricants de machines afin qu'ils prédisposent leurs produits à ce type d'intégration , estime-t-il. Plus le client aura conscience de la notion de qualité d'information à remonter, plus le fabricant les mettra à disposition. Cela passe par le dialogue ».

Les acteurs du monde industriel sont généralement bien conscients des enjeux de l'interopérabilité. Ainsi, ABB, Bosch Rexroth, B&R Automation, General Electric, Kuka ou encore Schneider Electric ont décidé de s'associer pour promouvoir la technologie OPC UA comme solution de communication unifiée entre les contrôleurs industriels et vers le cloud. « Les automates vont parler directement avec un SCADA », illustre Stephane Potier (B&R Automation). « OPC UA, historiquement, est l'outil des informaticiens pour dialoguer avec le contrôle commande, rappelle Jérôme Poncharal (Rockwell Automation). On le trouve sur des serveurs informatiques, qui communiquent avec des systèmes automatisés. » Mais cette technologie est « plus qu'un protocole de communication, explique Michel Condemine, directeur général de 4CE Industry et représentant technique d'OPC en France. La réduire à cela serait passer à côté de 80 % de ses fonctionnalités. OPC UA apporte également des modèles d'information, c'est-à-dire des façons d'organiser des données par rapport à différents métiers.Les deux grandes motivations,pour les utilisateurs, sont de gérer l'hétérogénéité de leurs systèmes et la cybersécurité ».

L'efficacité des communications sans fil dépend du choix d'un protocole adapté, mais aussi de la bonne installation des antennes. Des appareils de tests permettent de vérifier leur efficacité.

OPC UA est basé sur des standards ouverts. « C'est un rafraîchissement technologique, estime Jérôme Poncharal (Rockwell Automation). C'est un monde plus open source,en comparaison de ce que l'on connaît par exemple avec Microsoft. Cela permettra un renouveau méthodologique en termes de développement, avec des outils à jour. » Les entreprises investies dans la promotion de cette technologie sou-haitent qu'OPC UA soit supporté par les futures générations de systèmes industriels, pour une meilleure interopérabilité.

Mais tous les acteurs du milieu n'ont pas la même vision de la place que pourrait prendre cette technologie. « Certains implémentent OPC UA sur des contrôleurs, observe Jérôme Poncharal . Chez Rockwell Automation, nous avons plutôt choisi de l'utiliser comme une solution informatique, pour l'archivage, la communication avec les logiciels MES ou ERP. » OPC UA ne constituera donc pas un protocole universel dans les prochaines années, mais il a une place importante à prendre. « Et pour cela,la formation est importante, insiste Stéphane Potier (B&R Automation). Il faut trouver les bons profils pour aborder la question de bout en bout, comprendre les réseaux, les données produites par les capteurs, aussi bien que le cloud. Concevoir un réseau nécessitera des compétences très vastes, aussi bien en Big Data qu'en mécatronique, en passant par la sécurité : c'est un vrai défi ! »

« Je pense qu'à l'avenir, de nouvelles technologies viendront apporter toujours plus de performances au réseau, pour gérer toujours plus d'informations. C'est une évolution incontournable, prévoit Jérôme Poncharal (Rockwell Automation). À l'usage, beaucoup de choses vont changer. Nous n'avons encore que gratté la surface de ce que la mobilité pourrait apporter, ainsi que le partage et la collaboration. Les évolutions techniques ne sont pas des révolutions, elles prennent du temps. » Les choix de protocoles de communication doivent donc accompagner cette marche vers l'ouverture et l'interconnexion.