Passerelles IIoT, les médiatrices de l'usine 4.0

Bien que les machines génèrent depuis longtemps de grandes quantités de données, ces dernières demeurent le plus souvent inutilisées. Car confinées au sein des équipements industriels, elles s’avèrent difficiles à collecter, à échanger, à traiter et à injecter dans les systèmes informatiques de niveau supérieur, dédiés à la gestion de la production, au suivi de la qualité et à l’optimisation des opérations. Principaux obstacles à un circuit fluide de la donnée, crucial pour l’industrie 4.0 : la variété des bus de terrain industriels utilisés par les machines pour communiquer, et la diversité des formats de données. Pour faciliter la tâche des industriels, les fournisseurs de solutions d’automatisation ont développé des passerelles, dites passerelles IIoT (internet des objets industriel) servant d’interface entre les automates pilotant les machines et les systèmes informatiques industriels.

Deux avancées ont préparé le terrain à ces passerelles. D’une part, si les bus de terrains n’ont pas disparu, ils n’ont plus le monopole de la communication entre les équipements. La plupart des automates sont désormais dotés d’une interface ethernet pour dialoguer tant avec les machines qu’avec les systèmes informatiques. D’autre part, l’avènement du standard OPC UA (Open platform communications unified architecture) a permis d’éliminer la difficulté liée à la diversité des formats de données, qui imposait de connecter l’automate à une interface matérielle chargée de la mise en forme des données dans un format exploitable par les systèmes informatiques industriels. L’OPC UA est une architecture de communication orientée services (SOA), indépendante de la plate-forme matérielle ou logicielle des fabricants. Reposant sur le principe client-serveur, elle rend possible la communication transparente des capteurs, des actionneurs et des machines de production vers les systèmes informatiques de niveau supérieur. Si l’intégration de ce standard par les fournisseurs a pris du temps, aujourd’hui, de nombreux automates et composants d’automatisation intègrent nativement les spécifications OPC UA.

Combiner les expertises

Les passerelles IIoT viennent lever le dernier obstacle à la transmission de données entre les automates et les systèmes informatiques de niveaux supérieurs : la nécessité de combiner des expertises en automatisme et en informatique. Ces passerelles, sortes de PC industriels intégrés dans des boîtiers compacts et robustes, sont dotées, d’un côté, des entrées/sorties spécifiques à un automate ou tout autre contrôleur industriel (RS 232, RS 485…) et, de l’autre, d’un ou deux ports ethernet. Le logiciel embarqué traduit les variables fournies par la machine (disponibles dans un format propre à un bus, un automate ou toute autre commande numérique) dans un format exploitable par des bases de données, des systèmes d’exploitation et des logiciels de traitement spécifiques.

« Leur configuration est à la portée des automaticiens sans expertise informatique spécifique et sans exiger de programmation. À l’inverse, ces passerelles IIoT permettent aux informaticiens d’aller plus facilement vers le monde des automatismes », rapporte Maxence?Prouvost, le responsable marketing de l’offre machine EcoStruxure chez Schneider Electric. De son côté, Yacine?Hadji, ingénieur applications automatismes chez Bosch Rexroth, pointe qu’en intégrant des connecteurs dédiés aux principaux automates du marché, les passerelles IIoT permettent d’accéder aux données d’une machine sans modifier son programme de fonctionnement : « L’industriel n’a plus à développer de systèmes de connexion et d’interfaçage spécifique, ni à écrire une seule ligne de codes. Il lui suffit de sélectionner les données qu’il souhaite collecter, le traitement qu’il veut leur appliquer et définir leur destination, qu’il s’agisse d’une application logicielle industrielle, tournant sur un serveur dédié, ou d’une plate-forme cloud. » La configuration de la passerelle s’effectue en s’y connectant avec un ordinateur, localement ou à distance. Dans certaines situations, il sera cependant nécessaire de personnaliser préalablement la passerelle (les entrées/sorties et le logiciel embarqué notamment) en fonction des spécificités des machines, du système informatique et de l’application visée.

Ces passerelles IIoT sont disponibles en différentes variantes embarquant un processeur, une profondeur mémoire et des capacités de traitement adaptées à l’application et à la quantité de variables à collecter. « Pour éviter la transmission d’un trop grand volume de données et la surcharge du réseau de communication, elles peuvent réaliser certains traitements localement, comme la mise à l’échelle des variables et la mise en forme des données dans un format approprié. Ou encore effectuer des calculs statistiques ou mathématiques, filtrer des signaux, envoyer une alerte lors de dépassement de seuil… », explique Cédric Moreau, consultant avant-vente chez Siemens. Ces passerelles pourront, par exemple, déterminer la consommation énergétique d’un îlot robotisé via les mesures de courant et de tension de même que le temps de cycle machine – le temps de fabrication d’une pièce. L’application IoT Insight embarquée dans la passerelle IIoT de Bosch Rexroth pourra en outre surveiller le couple d’un moteur par rapport à la position de son axe afin d’identifier un problème cinématique.

La collecte et l’évaluation des données opérationnelles localement ou à distance via des applications d’analyse spécifiques tournant sur des plates-formes cloud et des serveurs dédiés rend possible la mise en place d’interventions de maintenance prédictive. Ce qui permet de s’affranchir de la maintenance de la machine à intervalles prédéfinis, d’optimiser son utilisation et sa productivité et, par conséquent, de réduire les coûts et les arrêts non planifiés du process. Il est également possible de surveiller les consommations afin de pouvoir optimiser l’efficacité énergétique, de calculer la productivité effective d’une machine ou d’un équipement, de connaître son taux de rendement synthétique (TRS)… Les possibilités sont aussi nombreuses et variées que la diversité des machines et des process mis en œuvre par les industriels.

Surveillance à tous les étages

Quelle que soit leur spécificité, tous les process de fabrication présentent néanmoins un dénominateur commun : l’exploitation massive de moteurs et de systèmes d’entraînement. Les fournisseurs de tels équipements proposent donc des solutions génériques facilitant la collecte et la surveillance de leurs paramètres de fonctionnement. Ainsi, le contrôleur Siemens Sinamics Connect 300, intégrant un serveur web, se connecte aux variateurs de vitesse Sinamics afin de transmettre des paramètres, des données de fonctionnement et des statuts pour leur analyse via l’application Siemens MindSphere « Analyze MyDrives ». Le fournisseur de moteurs Weg n’est pas en reste avec son routeur Gateway Weg Motor Scan qui envoie automatiquement via une transmission Wi-Fi, ethernet ou 3G/4G les informations à une plate-forme cloud, afin de suivre à distance les performances des moteurs électriques. Le diagnostic du fonctionnement d’un moteur repose sur les mesures de sa température, de ses vibrations, de son temps de fonctionnement, de sa charge, de sa vitesse et l’intervalle de lubrification. ABB propose quant à lui la solution Ability Condition Monitoring for Powertrains dédiée à l’optimisation de l’efficacité des systèmes d’entraînement (moteurs, variateurs, réducteurs, pompes, ventilateurs, compresseurs…). Cette solution surveille à distance l’état du système (arrêts, température, vibrations, surcharge…) pour délivrer à l’industriel une visualisation en temps réel des performances de ses équipements. De plus, l’analyse des données, aidée par des technologies d’apprentissage automatique, permet de déterminer les mesures de maintenance proactive à appliquer. ABB promet jusqu’à 70 % de réduction des temps d’arrêt, 30 % d’augmentation de durée de vie et 10 % de gain d’efficacité énergétique.

Dans tous les cas, les données collectées via les passerelles doivent être soigneusement sélectionnées puis traitées de façon appropriée pour délivrer des indicateurs permettant de prendre des décisions adaptées à chaque situation. Les passerelles IIoT ne sont que l’un des maillons de la longue chaîne que représente l’optimisation d’un processus industriel. ?