Bases des usines intelligentes et discrètes

Oct 07, 2023

Par Lisa Eitel | 6 janvier 2023

Les usines intelligentes sont des installations qui numérisent tous les aspects de la fabrication ou de la production qui permettent la numérisation. Ces opérations enregistrent en continu des données via des équipements et des systèmes connectés, puis diffusent ces données pour permettre aux machines d'exécuter des routines d'auto-optimisation. De tels programmes pourraient aider l'installation à produire à temps un produit final donné; prévenir de manière proactive les problèmes mécaniques ; et rationaliser les tâches de fabrication interconnectées. Des approches complètes de construction d'usines intelligentes s'appuient sur des outils cloud, l'IA, l'IIoT et l'analyse de données volumineuses pour surveiller les prévisions de la chaîne d'approvisionnement et déclencher des lignes de production (de plus en plus adaptables) pour y répondre.

Entrons maintenant dans les spécificités de la connectivité des usines intelligentes. Les protocoles industriels prenant en charge les fonctions d'usine intelligente nécessitent généralement la certification des composants physiques ; en savoir plus à ce sujet dans l'article Motion Control Tips :Tendances des solutions Ethernet, PoE, IO-Link, HIPERFACE et monocâble . La connectivité CAT5e et CAT6 ainsi que Power over Ethernet (PoE) est de plus en plus courante dans les machines automatisées et la robotique. Ailleurs, les câbles flexibles CAT5e et CAT6 prennent en charge les réseaux CC-Link Industrial Ethernet (IE) et sont fournis dans des assemblages de porte-câbles portant la certification UL pour les marchés nord-américains.

Envisagez des contrôleurs industriels prenant en charge le réseau industriel CC-Link IE Field et permettant des échanges de données jusqu'à 1 msec pour le contrôle des équipements en temps réel. Certains de ces contrôleurs exploitent également le réseau pour la surveillance à distance, l'informatique de périphérie, l'informatique de données et l'intégration de matériel et de logiciels. Il est typique que ces contrôleurs aient une forme Windows 10 IoT installée, bien que le système d'exploitation VxWorks ainsi que la plate-forme ouverte Edgecross puissent également être utilisés pour traiter et distribuer les données. Certains de ces ordinateurs industriels incluent même des écrans tactiles qui servent également d'interfaces homme-machine (IHM).

Les usines intelligentes maximisent l'utilisation des outils numériques. Image : Phuttaphat Tipsana

Le principal avantage de HIPERFACE DSL est de permettre le routage de la puissance du moteur et du retour de position via un seul câble, ce qui réduit la complexité et les coûts. De plus, les codeurs intelligents HIPERFACE DSL incluent une mémoire interne pour stocker les informations du moteur… ainsi, lors de la connexion initiale, un servovariateur peut interroger ces informations pour aider à automatiser la mise en service du moteur.

De la même manière, les solutions à câble unique basées sur des câbles Ethernet ou même de ligne d'abonné numérique (DSL) améliorent les machines incorporant des actionneurs linéaires - offrant souvent une compatibilité avec les amplificateurs de différents fabricants pour une intégration rapide et transparente du contrôleur à l'actionneur.

L'IO-Link à câble unique est également de plus en plus adopté pour la connectivité industrielle. Certains fournisseurs de moteurs intelligents ont commencé à intégrer les primaires IO-Link dans les offres de base pour prendre en charge les capteurs connectables pour les concepts d'automatisation décentralisés. Bien sûr, les moteurs qui peuvent communiquer via Ethernet industriel ou bus CAN n'ont pas besoin de se connecter aux réseaux IO-Link en tant que secondaires.

IO-Link peut également numériser les connecteurs analogiques hérités sur les composants pour permettre des communications bidirectionnelles et des temps de mise en service plus rapides. Pas étonnant que certains aient adopté la connectivité IO-Link du côté des commandes pour la prise en charge multiprotocole et la connexion avec des interfaces série.

Considérez les différents protocoles et communications exploités dans la connectivité IIoT - par exemple, les architectures SCADA, MES et de planification des ressources d'entreprise (ERP). Ce sont les plus impliqués dans la convergence IT/OT (technologie opérationnelle) - impliquant souvent des tâches, des passerelles et d'autres connectivités au niveau de l'entreprise pour permettre la configuration du système via des navigateurs Web standard... ainsi que des ajustements opérationnels et des actions de gestion supplémentaires.

Les usines intelligentes sont dominées par des composants et des équipements dotés d'une connectivité par bus de terrain, Ethernet filaire, sans fil et cloud.

Pour être clair, les installations SCADA complètes (malgré leur complexité et leurs exigences d'installation considérables) excellent dans la capture et le traitement de données volumineuses ; maintenance et utilisation des données historiques ; et l'exécution de routines d'analyse. Cependant, les solutions d'usine intelligente permettent une configuration plus rapide des réseaux d'accès à distance, des systèmes informatiques de pointe et un contrôle central ou sur machine (IHM) des paramètres et des données pertinents de la machine.

Utilisé dans de nombreuses installations IIoT, le langage de requête structuré (SQL) est une programmation qui permet la synchronisation des données et des journaux d'événements avec les serveurs de base de données MySQL et MS SQL. L'avantage ici est que l'accès du personnel informatique est plus simple à mettre en œuvre que les alternatives reposant sur des contrôles. Cela est vrai, que les systèmes utilisent des commandes de base telles que Raspberry Pis ou des interfaces de base de données IoT complexes sur PC (qui nécessitent généralement du matériel et des logiciels supplémentaires).

L'infrastructure, la plate-forme et le logiciel en tant que service (IaaS, PaaS et SaaS respectivement) ou les services cloud voient également une adoption massive pour la manière dont ils prennent en charge les approches de conception IIoT à plusieurs volets (impliquant des logiciels, du matériel et de la connectivité). Ceux-ci incluent Alibaba Cloud, Tencent Cloud, Google Cloud, IBM Cloud et Oracle Cloud. Cependant, aux États-Unis, les deux principaux fournisseurs de services cloud publics (hors site et non d'entreprise ou de réseau de machines) pour l'automatisation des machines sont :

Ces services cloud prennent principalement en charge l'utilisation de bases de données (via des produits tels que le service de stockage simple Amazon ou les compartiments S3 et les services de base de données gérés Amazon DynamoDB), des applications en ligne et locales et une puissance de calcul à la demande. Liés à ces derniers, les services AWS Lambda permettent à la programmation Python, Node.js, Java et C# de s'exécuter sur les serveurs du service. Les IHM permettent aux utilisateurs finaux de tirer le meilleur parti de ces fonctions IIoT.

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Bien sûr, les services cloud remplissent également d'autres fonctions. Une partie de ce qui motive l'adoption d'AWS et d'Azure pour l'IIoT est la façon dont davantage d'ingénieurs se sont familiarisés avec la construction de leur propre infrastructure sur ces plates-formes. Après tout, les services de données basés sur le cloud libèrent les ingénieurs d'un travail de conception supplémentaire sur le matériel et les logiciels sous-jacents, car le fournisseur exécute les tâches informatiques. AWS et Azure permettent également l'utilisation de logiciels qui résument les flux de données et les communications, ce qui simplifie certains travaux de conception avec des environnements de développement dotés d'interfaces graphiques attrayantes pour empêcher les ingénieurs de gérer les détails de programmation.

Les services cloud facilitent également l'ingénierie avancée avec des machines virtuelles qui exécutent des systèmes d'exploitation et des applications… sur lesquelles les ingénieurs de conception gardent le contrôle. De plus, les services cloud peuvent accueillir divers services de communication sur des protocoles utilisant les principes de publication-abonnement - pour être le service principal pour tous. Cela élimine le besoin d'un adressage fastidieux lors de la configuration du système.

Toutes ces fonctionnalités peuvent faciliter les capacités avancées, notamment l'apprentissage automatique pour catégoriser et distiller les données… et faire des prédictions pour accélérer les ajustements de la machine et de la production.

Une tendance connexe est l'utilisation accrue de portails cloud pré-organisés par les fournisseurs. Ces portails (qui offrent aux ingénieurs un moyen simple de démarrer avec l'IIoT) sont des services en ligne qui se connectent aux contrôleurs et aux IHM à écran tactile des utilisateurs. Ensuite, les ingénieurs peuvent personnaliser les écrans et les tableaux de bord IHM avec des tendances… et configurer les notifications par e-mail IHM à l'aide d'un moteur de règles géré depuis le portail cloud. La liste des fonctions continue. Certaines dispositions permettent des mises à jour logicielles à distance sur les composants et la visualisation à distance des visualisations Web des composants.

Les IHM à écran tactile et les contrôleurs certifiés pour AWS GreenGrass Core tirent essentiellement parti d'AWS (y compris AWS Lambda et Things Graph) pour permettre aux appareils périphériques connectés (tels que les capteurs et les actionneurs) d'agir localement sur les données qu'ils génèrent - et d'utiliser le cloud pour la gestion, le stockage et l'analyse des données. Avec AWS IoT Greengrass, les appareils connectés peuvent également exécuter des conteneurs Docker du service de conteneurisation de Docker Inc.

« Nous sommes fiers que MachineMetrics rejoigne le groupe d'élite des partenaires AWS Partner Network Competency pour le segment des logiciels industriels. MachineMetrics utilise des services AWS avancés tels que Lambda et Kinesis pour créer et faire évoluer leur architecture afin de soutenir sa croissance phénoménale. Cela permet à MachineMetrics de se concentrer sur la création de propriété intellectuelle et la conception générative plutôt que de passer du temps à gérer le stockage et les bases de données, tout en réduisant les coûts de calcul et en leur donnant la puissance nécessaire pour exécuter et fournir à notre clientèle commune », a déclaré le Dr Josef Waltl, responsable du segment mondial pour Logiciels industriels chez Amazon Web Services. Lisez l'article sur cette application ici.

Rappelons que dans le contexte de la programmation industrielle, un conteneur est un logiciel exécutable qui contient les codes, les outils système, les runtimes, les bibliothèques et les paramètres nécessaires au fonctionnement autonome d'une application. Dans de nombreuses conceptions de machines, les conteneurs sont conçus pour communiquer et synchroniser les données avec d'autres systèmes ou exécuter diverses prédictions, même lorsqu'ils sont déconnectés d'Internet. Les avantages de la construction d'applications dans des conteneurs incluent :

Certaines IHM et contrôleurs montables sur rail DIN acceptent l'installation de Docker… et en fait, certains fournisseurs libèrent régulièrement des conteneurs préconstruits pour étendre les services sur ces produits.

Partout où une IHM se connecte au cloud, elle fonctionne probablement dans une certaine capacité IIoT pour informer les analyses d'entreprise et les améliorations continues des opérations. C'est le cas des installations automatisées impliquant une à plusieurs centaines de machines. Les protocoles prenant en charge les fonctions IIoT, y compris diverses formes de communications de données et de connectivité IHM avec des appareils périphériques, incluent :

MQTT, au cœur de nombreuses structures de connectivité IoT, est un protocole prenant en charge les communications évolutives entre les capteurs et les appareils mobiles. Toute prise en charge intégrée des appareils pour MQTT est utile car elle est applicable dans les services Amazon AWS IoT. De plus, MQTT (comme AMQP) est allégé et standardisé… et MQTT peut être implémenté sur des passerelles IHM gérant les données des appareils de terrain pour les systèmes sur site et cloud. Les IHM offrant le plus de support MQTT sont destinées à être connectées à des services à valeur ajoutée pour le provisionnement des données qui ont été traitées en périphérie dans des systèmes tiers - et à exécuter des services cloud. Ces IHM peuvent se connecter en tant qu'éditeur MQTT (et envoyer des messages à un courtier) ou un abonné (et demander des messages à un courtier) ou un courtier (et gérer les données et les connexions avec les éditeurs ou les abonnés).

La norme d'interopérabilité OPC UA est également indispensable pour tirer parti de toutes les promesses de la technologie IHM connectée. OPC UA inclut les communications de publication-abonnement dans ses définitions de spécifications, et peut donc servir d'alternative à MQTT pour le transport de données vers le cloud. Les acteurs du contrôle de mouvement apprécient le plus le protocole de communication standardisé d'OPC UA complété par la mise en réseau sensible au temps (TSN) en tant que bus de terrain indépendant du fournisseur pour l'automatisation décentralisée. OPC UA avec TSN peut même rendre inutiles des automates supplémentaires, comme dans les machines utilisant des servomoteurs intégrés, par exemple. Après tout, plus de systèmes que jamais bénéficient désormais d'architectures distribuées intégrant des moteurs intelligents et d'autres composants capables de traiter des commandes et d'exécuter des tâches (mouvement et autres) tout en communiquant avec d'autres appareils en temps réel. Dans certains cas, ces derniers peuvent inclure des IHM servant de passerelles périphériques pour gérer une partie de la logique de processus des axes (ainsi que des connexions aux systèmes ERP et au cloud).

Employé dans de nombreuses installations IIoT est SQL mentionné précédemment. Ce système de gestion de base de données relationnelle est gratuit, open source et largement pris en charge. Il est également sécurisé, donc intégré en toute sécurité dans les contrôleurs IHM et les panel PC. L'un des avantages de SQL est l'accès du personnel informatique qui est mis en œuvre plus simplement que les alternatives reposant sur des contrôles (et nécessitant généralement du matériel et des logiciels supplémentaires). C'est le cas des commandes système aussi simples que Raspberry Pis ou aussi complexes que les PAC avec interfaces de base de données IoT.

Le contrôleur Omron NX1 pour les applications IIoT offre une connectivité OPC UA et SQL.

En fait, SQL fonctionne également avec certaines IHM de contrôleur qui collectent et affichent les données de la machine pour faciliter la surveillance et l'analyse. Par exemple, la connexion de telles IHM à une base de données MySQL permet la collecte, l'organisation et le stockage des données dans des bases de données flexibles et fiables pour un accès facile et des opérations commerciales optimisées.

Certains logiciels de conception de fournisseurs aident les ingénieurs à utiliser MySQL via des IHM intelligentes et à placer des données dans des feuilles de calcul Excel (et des données tabulaires dans les fichiers d'autres logiciels courants) pour :

Les ingénieurs peuvent ensuite utiliser MySQL et MS Excel pour collecter, analyser et répondre aux données afin de prendre des décisions plus éclairées et d'optimiser les opérations.