Contrôle des machines et machines connectées pour les initiatives DX

Nov 21, 2023

Par Lisa Eitel | 6 janvier 2023

La pandémie de COVID-19 a changé de façon permanente la façon dont des dizaines de milliers d'entreprises dans le monde fonctionnent. Cela a également changé le nombre de personnes qui voient les initiatives d'automatisation et de transformation numérique (DX). Ces derniers se sont avérés utiles lorsque les entreprises visent à rendre permanent le travail à distance pour le personnel de bureau ; basculer les opérations de marche à ralenti et inversement plus agilement ; permettre une distanciation sociale dans l'usine de manière plus pratique ; et s'adapter en permanence aux problèmes persistants de la chaîne d'approvisionnement. Les programmes DX facilitent habilement ces changements et d'autres dans les pratiques commerciales.

Connexe : Les bases de la transformation numérique (DX)

Les capacités Core to DX sont des machines intelligentes qui acceptent les commandes provenant d'emplacements distants ; simplifier (avec un logiciel et même une cartographie environnementale basée sur l'IA) la reconfiguration selon les besoins ; et autodiagnostiquer les problèmes mécaniques et de programmation. En fait, ce sont ces caractéristiques qui différencient les machines intelligentes des machines simplement automatisées. Cela s'applique que l'équipement soit une machine traditionnelle fixe, un module reconfigurable ou un robot industriel. La programmation de robots industriels collaboratifs (cobots) pour satisfaire ces tâches de machines intelligentes est particulièrement simple.

Les communications entre les machines intelligentes simplifient l'extraction des données et les analyses ultérieures, ce qui contraste fortement avec les systèmes SCADA hérités qui exigent une attention particulière du directeur de l'usine.

Le matériel sur lequel les capacités de base des machines intelligentes sont principalement localisées pour l'automatisation discrète comprend les contrôleurs industriels, les IHM et les entraînements de moteur. Les versions intelligentes de ces composants incluent des diagnostics embarqués et des capacités de traitement des retours pour prendre en charge les propres exigences de données des systèmes connectés. Exemple : Certains onduleurs intègrent des capteurs pour détecter les conditions corrosives ou poussiéreuses dans le réglage de fonctionnement ; câblage de rétroaction du ventilateur de refroidissement pour suivre l'état du ventilateur ; et des ports de connectivité avec des circuits et des micrologiciels pour faciliter une vaste gamme de communications IIoT et AI.

L'une des préoccupations légitimes des ingénieurs concepteurs à propos des machines intelligentes est leur cybersécurité. Après tout, la connectivité peut servir de moyen pour le piratage, les usines de virus, le sabotage et les violations de données. Heureusement, les normes et les solutions abondent pour intégrer la sécurité dans les composants des machines intelligentes. Aux États-Unis, la division de la cybersécurité appliquée du laboratoire des technologies de l'information du National Institute of Standards and Technology (NIST) ainsi que le National Cybersecurity and Communications Integration Center et l'Industrial Control Systems Cyber ​​Emergency Response Team (ICS-CERT) du Department of Homeland Security fournissent des cadres pour réduire le risque d'accès non autorisé aux systèmes industriels. Ensuite, les fournisseurs fournissent aux utilisateurs finaux des outils de surveillance (et souvent des services d'abonnement) pour détecter les téléchargements de données inattendus et les comportements anormaux des machines causés par des acteurs malveillants.

Ironiquement, les équipements non connectés et les machines intelligentes ayant une connectivité marginale ou incomplète peuvent être les plus vulnérables. En effet, ces machines n'offrent aucune visibilité sur les problèmes émergents ou actifs nécessitant une isolation immédiate. Les équipements les plus touchés par les failles de cybersécurité sont ceux qui fonctionnent sans surveillance ou qui manquent de connectivité pour recevoir des mises à jour de sécurité régulières.

Parce qu'ils sont devenus de plus en plus rentables, les protocoles de communication sans fil et les capteurs sont désormais une forme importante de connectivité IIoT pour les usines intelligentes, en particulier pour la surveillance des machines. Les technologies sans fil sont plus justifiées lorsqu'il est important de détecter le plus tôt possible les pannes d'équipements inaccessibles ou situés à distance. Une mise en garde est que l'équipement à faible vitesse peut nécessiter des capteurs sans fil spécialisés pour remplir cette fonction. Les fonctions de surveillance de l'état sans fil sont également justifiées lorsqu'il est inacceptable de faire fonctionner l'équipement jusqu'à la panne, comme lorsqu'une installation ne dispose pas d'un deuxième équipement pour exécuter une tâche donnée. La mise en garde ici est que d'autres éléments de l'usine intelligente (tels que les systèmes d'agrégation et d'analyse) doivent être en place pour extraire les éléments exploitables.

La pertinence de conférer des fonctions d'usine intelligente avec la détection sans fil dépend en partie de la fréquence à laquelle les données doivent être collectées. En raison de la manière dont les capteurs sans fil fonctionnent sur batterie ou récupèrent de l'énergie, ils ne peuvent collecter et transmettre des mesures que par intermittence. Cela les rend plus adaptés aux équipements tels que les pompes qui fonctionnent en continu à un état stable. Cela dit, la surveillance des moteurs sur des axes à vitesse variable est possible, car de simples analyses peuvent vérifier que la fréquence et la résolution sont conformes aux spécifications. Lorsqu'un capteur sans fil doit être utilisé pour surveiller les pannes de la machine vis-à-vis des changements dans les vibrations de fonctionnement, il doit être capable de surveiller une plage de fréquences appropriée.

Des solutions sans fil correctement déployées offrent des avantages allant au-delà de la surveillance des machines. Ces fonctions incluent une connectivité d'usine intelligente avec les systèmes d'entreprise ainsi qu'un retour d'information opérationnel pour les modifications à la volée des fonctions de la machine, même celles produisant des produits personnalisables.

Les produits sans fil pour ces fonctions sont souvent compatibles avec diverses normes. Pensez aux clés USB de réseau sans fil qui offrent une connectivité à distance aux PC industriels. Certains incluent des options pour les communications mobiles WLAN et 4G/3G/2G. Les bâtons fonctionnent sur des robots mobiles et des véhicules guidés automatisés (AGV) et un éventail d'autres types d'équipements nécessitant des communications sans fil avec un contrôleur central ou un système de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA). Les utilisateurs peuvent même surveiller les diagnostics basés sur le variateur pour une meilleure maintenance préventive basée sur des données d'application réelles contenant des informations sur la fréquence des événements.

Ces dernières années ont vu la convergence des fonctions d'IHM, de connectivité et de contrôleur pour prendre en charge une automatisation hautement sophistiquée et des opérations au niveau de l'entreprise.

Les machines mobiles dans l'agriculture, la construction et les installations de parcs d'attractions ont emprunté de nombreuses structures d'usines intelligentes pour conférer des capacités autonomes aux conceptions qui nécessitaient autrefois un ou plusieurs opérateurs. Les contrôleurs d'automatisation prêts à l'emploi d'aujourd'hui dans de tels environnements peuvent conférer les technologies sans fil et de sécurité nécessaires pour protéger le personnel et communiquer avec les systèmes informatiques existants.

La 5G en particulier est prometteuse pour les opérations de fabrication qui pourraient bénéficier de la connectivité cloud, car elle dispose de la bande passante et de la stabilité nécessaires pour les réseaux de production, en particulier lorsqu'elle est réalisée en tant que réseau de campus. Mais comme il existe généralement des connexions réseau disponibles sur toutes les infrastructures de machines, certains ne prévoient pas de sitôt une mise en réseau industrielle généralisée basée sur la 5G. Cela n'a pas empêché les fournisseurs de composants et de systèmes de se préparer à l'éventualité de la 5G en milieu industriel. En fait, ceux qui se préparent à l'adoption de la technologie 5G prédisent une expansion simultanée de la réalité augmentée, de la conception virtuelle et de l'IA. Avec l'augmentation exponentielle de la vitesse, beaucoup s'attendent à des temps de traitement jusqu'à 10 fois plus rapides que ce qui est actuellement possible avec les systèmes 4G industriels. En fait, les technologies sans fil 5G sont capables de prendre en charge le contrôle en temps réel par un serveur externe sur des processus complexes - pour exécuter des processus aussi compliqués que l'impression 3D, par exemple.

Les protocoles basés sur Ethernet industriel continuent de dépasser les bus de terrain traditionnels pour la messagerie de données dans les installations automatisées… et en fait, les protocoles basés sur Ethernet sont désormais utilisés dans plus de 40 % des réseaux industriels. Il est vrai que certains bus de terrain sont plus fiables que les offres Ethernet héritées qui ne sont pas déterministes, mais les vitesses Ethernet sont en tête. Plus précisément, certains anciens systèmes de bus n'ont que des débits de données de 1 à 20 Mbit sans capacités en temps réel, ils ont donc lentement perdu des parts de marché au profit d'options basées sur Ethernet ayant des débits d'au moins 100 Mbit. Bien sûr, les protocoles de bus sont suffisants pour de nombreuses tâches industrielles simples, ils continueront donc à être utilisés pendant des décennies.

Les débits de données Ethernet prennent en charge le suivi et le traitement des données en temps réel. De plus, contrairement aux réseaux de bus de terrain et d'appareils nécessitant diverses couches physiques, Ethernet fonctionne sur une seule... et maintenant, l'alimentation par Ethernet (PoE) mentionnée précédemment permet aux ingénieurs concepteurs d'utiliser davantage cette couche physique unique. Surtout à l'intersection de l'IIoT et du contrôle de mouvement, les connexions PoE sont en tête. Il était difficile d'obtenir suffisamment d'énergie pour alimenter un moteur à partir de connexions PoE… mais l'adoption rapide des normes IEEE à plus haute puissance dans les commutateurs Ethernet industriels soutient l'expansion ici. La norme 802.3at, par exemple, fournit 25 W de puissance aux appareils connectés, ce qui est suffisant pour faire fonctionner un moteur pas à pas NEMA-14 à pleine puissance. Certains moteurs intégrés pour de telles configurations acceptent l'alimentation et les communications via l'un des deux câbles Ethernet standard (RJ45 ou M12 codé X) et prennent en charge les protocoles de réseau courants tels que Modbus TCP et EtherNet/IP. En fait, la connectivité basée sur Ethernet prend souvent la forme d'EtherNet/IP. Ce protocole de couche application permet la communication entre les commandes et les E/S ; certaines adaptations permettent une commande de mouvement multi-axes synchronisée et déterministe.

Bien que l'Internet des objets soit le plus visible pour les profanes dans les appareils grand public, l'IIoT est massif. La majorité des applications se trouvent dans les entreprises, les usines et les établissements de santé… et plus d'un tiers du marché de l'IdO, qui s'élève à près de 6 000 milliards de dollars, concerne la fabrication.

Illustré ici : les commutateurs ETHERLINE ACCESS PROFINET de LAPP sont configurables via une interface Web. Ils aident là où des débits de transmission élevés sont requis sur de longues distances… et disposent de ports RJ45 ainsi que de ports SFP (Small Form Factor Pluggable) pour les câbles à fibre optique et l'Ethernet Gigabit rapide. Certains convertissent les signaux lumineux de la fibre optique en signaux électriques pour 100 Mbit/sec ou 1 Gbit/sec et une transmission monomode ou multimode. Sinon, un commutateur ETHERLINE ACCESS U04TP01T de cette gamme (renforcé pour le montage d'appareils en champ proche) dispose de quatre ports RJ45 avec Power over Ethernet (PoE) et d'un port pour Fast Ethernet. En savoir plus sur ces offres ici.

Le système de communications en temps réel série (SERCOS) III, qui utilise un câble Ethernet industriel pour connecter des variateurs, des contrôleurs de mouvement, des capteurs, des E/S, des moteurs et d'autres actionneurs, connaît également une adoption spectaculaire. Avec SERCOS III, une communication de mouvement et de contrôle bidirectionnelle en temps réel déterministe est possible. D'autres protocoles capitalisant sur les avantages d'Ethernet incluent Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT), PROFINET et CC-Link.