La modernisation des sites industriels selon les préceptes de l’industrie 4.0 passe par la connexion des moyens de production. Les entreprises ont besoin d’acquérir des données sur les usines de fabrication, mais les contraintes industrielles et sécuritaires sont fortes et le choix du bon réseau est essentiel à la réussite d’un projet. De multiples solutions de type IIoT (Industrial internet of things) sont possibles pour acquérir les données générées par les équipements industriels en toute sécurité.
La sécurité avant tout
Le choix du réseau doit être dicté par ses performances en matière de débit, de portée, mais aussi et surtout par les contraintes de sécurité de la société. Connecter les équipements industriels au cloud peut entraîner des risques sérieux en matière de cybersécurité et beaucoup d’entreprises hésitent à franchir le pas. Un réseau à très faible portée comme le Bluetooth est une option à moindre risque. Dans sa version Bluetooth low energy (LE) 5, ce standard permet de récolter des informations auprès des capteurs de manière sécurisée, grâce à leur chiffrement. Parmi les cas d’usage déjà opérationnels, on trouve la centralisation des données issues de détecteurs au sein d’une même machine ou encore leur collecte par l’opérateur sur une tablette numérique.
En s’approchant d’un appareil, celui-ci peut télécharger les données de fonctionnement sur un terminal de type tablette PC durcie. L’approche permet ainsi d’éviter toute connexion directe de l’équipement avec internet ou d’insérer une clé sur un port USB, clé qui pourrait infecter la machine avec un virus informatique. « Le Bluetooth est une solution relativement courante lorsqu’on souhaite faire une lecture de données ou suivre l’évolution d’une valeur, souligne Amine Amara, consultant IIoT et MES chez Accenture. En revanche, attention, le Bluetooth n’est pas un réseau déterministe et il peut être perturbé par le « bruit » en milieu industriel. Il ne permet absolument pas de faire du contrôle-commande pour piloter une machine à distance par exemple. » Si, pour diriger les machines et les robots d’une ligne de production, un protocole ethernet sur cuivre reste la solution la plus performante, connecter ce réseau industriel au réseau bureautique de l’entreprise pour envoyer des données sur internet présente trop de risques pour bon nombre de directeurs industriels.
Communication à longue portée
D’autres systèmes de communication sont apparus ces dernières années afin d’envoyer des données dans le cloud sans passer par la connexion internet du site : ce sont les réseaux IoT (Internet of things) et leurs déclinaisons industrielles, les réseaux IIoT. À l’opposé du Bluetooth à très faible portée, les systèmes de type Sigfox ou LoRaWAN (acronyme de Long range wide area network, soit réseau étendu à longue portée) sont conçus pour privilégier la portée des antennes tout en limitant la consommation électrique du terminal. Les objets connectés peuvent ainsi être mis en œuvre par des capteurs légers fonctionnant sur batterie. Ces réseaux ne sont pas directement reliés à internet et n’exposent pas à un risque d’attaque.
À la différence de la technologie LoRa exploitée par de nombreux opérateurs de télécommunications essentiellement nationaux, comme Orange et Bouygues Telecom en France, Sigfox a fait le choix de déployer son propre réseau à l’échelle mondiale. Celui-ci est actif dans 72 pays et le français revendique 18 millions d’objets enregistrés. Le service de collecte de données délivré par Sigfox s’appuie sur la technologie radio Ultra narrow band (UNB) et une infrastructure de gestion de bout en bout des données. « La technologie UNB est très frugale dans sa consommation d’énergie et demande un modem rudimentaire pour émettre (sur lequel nous ne touchons aucune redevance) », met en avant Guillaume Simenel, le vice-président produits et partenaires stratégiques chez Sigfox. « Ce réseau permet une communication efficace sur de longues distances (pour que l’infrastructure soit la plus légère possible), résiste aux interférences et est également très endurant face aux tentatives de brouillage. »
Comparée à la solution rivale LoRa qui est proposée par 150 opérateurs dans le monde, l’offre de Sigfox ne nécessite la signature que d’un seul contrat pour couvrir l’ensemble des régions géographiques où le service est disponible. Les objets sont identifiés et sécurisés par un seul et même opérateur. Le suivi d’un objet mobile, un conteneur ou une machine de chantier par exemple, est assuré par Sigfox, tandis que les opérateurs LoRa doivent passer des accords de roaming (itinérance) entre eux pour assurer cette continuité à leurs clients. Plusieurs opérateurs ont mis en place des hubs pour simplifier cette problématique d’itinérance. En 2021, le lancement de l’initiative Connect EU vise à l’offrir à l’échelle européenne. D’autre part, les opérateurs de réseaux IoT se rapprochent des opérateurs de réseaux satellitaires et les premiers lancements en orbite basse de nanosatellites compatibles vont permettre d’étendre la couverture des réseaux IoT.
La 5G en cours de normalisation
Une autre solution est d’opter pour des réseaux cellulaires. De nombreux services télécoms dédiés à l’IoT s’appuient sur ces derniers, notamment le GPRS (le service de données de la 2G) ainsi que la 3G et la 4G. Les atouts et inconvénients de ces réseaux sont bien identifiés : les débits de transfert de données peuvent être très élevés sur la 3G et la 4G, mais au prix d’une forte consommation énergétique. En outre, la taille limitée de chaque cellule peut poser des problèmes de couverture dans les zones industrielles isolées, mais aussi dans certains locaux industriels où les fréquences utilisées peinent à traverser les murs. Enfin, les coûts d’abonnement ne sont pas négligeables lorsqu’il s’agit de connecter des milliers d’objets.
L’arrivée de la 5G pourrait changer la donne, car l’IoT fait partie des services qui seront délivrés par les opérateurs. Si les travaux de normalisation sont encore en cours, la 5G pour l’IoT va essentiellement s’appuyer sur le NB-IoT, le standard Narrowband internet of things, déjà mis en œuvre sur les réseaux 4G LTE. « La 5G va apporter des communications de machines en masse, de très hauts débits et une très faible latence », résume Youssef Kamel, le vice-président directeur, responsable du smart tracking, de Wirepas, un fournisseur finlandais de technologie d’interconnexion IoT par maillage (mesh). « Ce que la 5G actuelle ne peut pas faire, c’est gérer de grandes densités d’objets connectés, comme lorsque des milliers d’objets sont transportés par bateau, dans des conteneurs. »
Wirepas a fait standardiser sa technologie mesh auprès de l’Institut européen de la normalisation des télécommunications (ETSI) pour la bande de fréquences 1,9 GHz, jusque-là utilisée par les téléphones DECT (digital enhanced cordless telecommunications). L’entreprise finlandaise insiste aujourd’hui auprès des autorités de standardisation des télécoms pour que cette technologie soit intégrée aux standards 5G. Les opérateurs proposent déjà le déploiement de réseaux 5G privés sur les sites industriels, mais l’atout d’une approche mesh avec le choix des fréquences DECT est de ne pas nécessiter d’opérateur pour être déployée.
Faire son choix dans l'éventail des réseaux
Le travail de normalisation de la 5G est encore en cours. De nombreuses grandes entreprises industrielles s’y intéressent, dont la SNCF pour connecter ses technicentres, mais aussi les chantiers mobiles qui permettent l’entretien et l’évolution du réseau ferré. « Nous avons défini trois grandes catégories d’usages de la 5G industrielle : le travailleur connecté, qui l’utilise pour les échanges de groupe et l’accès aux outils métiers du personnel ; l’usine connectée, qui s’en sert pour la supervision de l’infrastructure de maintenance ; et enfin, les équipements connectés, pour permettre les échanges de données entre le matériel roulant et les technicentres », détaille Hacene Lahreche, le directeur connectivités pour la transition numérique à la SNCF.
Qu’il s’agisse du Bluetooth LE, des réseaux dédiés LoRa et Sigfox ou de la future 5G, chaque technologie possède des caractéristiques qui lui sont propres tant en débit qu’en couverture réseau, mais aussi sur le plan de la consommation électrique. De même, le coût des composants, des équipements et des éventuels abonnements va entrer en ligne de compte dans l’équilibre économique du projet et le retour sur investissement attendu.
Trois solutions pour connecter vos équipements
Le plus petit réseau
Avec moins de 2 cm de hauteur, le module radio Bluetooth FL BLE 1300 de Phoenix Contact est capable de collecter les données issues de huit capteurs maximum. Conçu pour le milieu industriel avec un indice de protection IP65/IP67/IP68 et des connecteurs M12, il dispose d’une interface ethernet 10/100 Mbit/s pour transmettre les données.
La plus longue portée
Représentatif des possibilités d’un réseau IoT Sigfox, le capteur Nanolike transmet le niveau de remplissage d’une cuve ou d’un silo ou assure le suivi en temps réel d’un conteneur IBC de manière autonome. La solution tire profit de l’infrastructure réseau de Sigfox et ne nécessite pas d’alimentation électrique. L’autonomie théorique du capteur est de dix ans.
Le plus polyvalent
Le taïwanais Advantech propose le premier un routeur fonctionnant avec la 5G (norme 3GPP release 15) tant dans le mode NSA (non-standalone) compatible avec la 4G LTE que le mode SA (standalone) dont les fréquences sont propres à la 5G. Le boîtier ICR-4453 offre cinq ports ethernet pour connecter des équipements et supporte des tunnels sécurisés VPN pour transmettre les données.
« La fréquence 26 GHz est parfaitement adaptée à un bâtiment industriel »
Hacène Lahreche, directeur connectivités pour la transition numérique à la SNCF« La 5G est une technologie de connectivité prometteuse. Elle arrive avec de nouvelles bandes de fréquences et d’importantes ressources spectrales (bande passante). Une de ses fonctionnalités est le slicing, qui permettra de segmenter un réseau en plusieurs sous-réseaux indépendants. On peut envisager de réserver une partie des ressources d’un réseau pour des fonctions industrielles dédiées. La bande de fréquences des opérateurs télécoms (la bande 3,5 GHz) semble très intéressante à ce titre. L’autre bande de fréquences 5G, la bande 26 GHz, présente aussi des caractéristiques intéressantes pour l’industrie. Une antenne à 26 GHz a une portée de 100 m, parfaitement adaptée à la couverture des bâtiments industriels. Elle ne passe pas à travers les cloisons, ce qui permet de mettre en œuvre plusieurs réseaux adjacents sans perturbations. Cette propriété rend aussi difficile toute intrusion depuis l’extérieur. Cette 5G est très complémentaire des autres technologies (Sigfox, LoRa) qui présentent de réels avantages pour la supervision. »
