Les interfaces de communication sans fil

Le 01/01/2015 à 13:30

L'essentiel

Le premier déploiement peut être complexe, mais une fois le réseau sans fil en place, il est facile d'y connecter de nouveaux éléments.

Les diverses technologies disponibles s'adaptent à tous les types de communication, de très petite échelle jusqu'à des kilomètres de distance.

Ce mode de fonctionnement permet la mise en place de nouvelles applications, comme en maintenance préventive, ou facilite la collecte de nouvelles données.

L'environnement peut perturber les transmissions. Une bonne implantation des antennes et des technologies de récupération des données permettent d'y remédier.

L'Internet des objets se déploie, et l'on parle désormais d'industrie 4.0 pour désigner les usines «intelligentes ». Outils, machines, véhicules, les objets sont de plus en plus communicants et connectés. Dans ce contexte, la communication sans fil gagne du terrain. Les technologies employées pour cela sont de moins en moins coûteuses et permettent de s'affranchir des contraintes physiques du filaire, parfois incompatibles avec les applications souhaitées. Les standards, comme leWi-Fi, évoluent en permanence et voient leurs performances s'améliorer au fil des versions.

Bien sûr, ce mode de fonctionnement apporte lui aussi son lot d'inconvénients, de contraintes et de questions. L'organisation de l'espace ou la sécurité, par exemple, doivent être appréhendées différemment. Mais le sans-fil couvre de nombreux usages, différentes formes de réseaux et à différentes échelles: de quelques centimètres à plusieurs kilomètres. Selon les applications et les contraintes, différentes technologies peuvent répondre aux besoins industriels, du ZigBee à la 4G, en passant par le Wi-Fi.

« Des machines éloignées aux engins qui circulent dans les allées : tous les systèmes doivent communiquer ensemble,et de plus en plus, observeThierry Philippe, directeur commercial pour les automatismes industriels chez Delta Electronics France. Le réseau devient de plus en plus important pour la mesure.On centralise de plus en plus d'informations,comme la température,pour surveiller un process. Disposer de technologies de communication sans fil donne une plus grande liberté d'implantation, y compris pour des installations temporaires.»

Grâce au sans-fil, la surveillance à distance se développe

« Ce sont souvent les machines mobiles qui incitent à franchir le pas vers le sans-fil, estime Yves Neimer, responsable du développement pour les réseaux industriels, division Industries, chez Siemens, . Pour les chariots autoguidés,les solutions filaires ne sont pas possibles. Mais une fois qu'une zone est couverte par une technologie sans fil, les autres déploiements sont facilités.» Le sans-fil sert ainsi autant à déployer de nouveaux usages qu'à convertir des applications jusqu'alors filaires par nécessité.

«Avec les communications sans fil,la surveillance à distance se développe » , constateThierry Philippe (Delta Electronics). Pour un systèmedistri-buéconséquent,lesans-fil permet de librement répartir des nœuds d'acquisition en différents endroits d'un site. « On fait facilement remonter des informations. C'est une solution cohérente pour vérifier par exemple la fermeture de la porte d'un réfrigérateur ou tout simplement suivre l'évolution d'une température afin d'éviter des pertes », ajoute-t-il. Les opérations de maintenance peuvent également y gagner: « Il est possible de mettre de petites caméras vidéo pour observer le fonctionnement de machines,notamment pendant la période de garantie. En cas de problème, cela évite à un technicien de se déplacer simplement pour voir ce qu'il se passe », continue Thierry Philippe. De nombreuses informations, comme l'encrassement d'une pompe, sont utiles à la maintenance préventive et faciles à récupérer avec des systèmes sans fil. Et de plus en plus de fabricants intègrent à leurs machines un module de communication en vue de la maintenance.

Certaines applications trop critiques, nécessitant des temps de réaction en dessous de la milliseconde, ne sont pas compatibles avec les communications sans fil. Mais le Wi-Fi industriel est suffisamment robuste pour de nombreuses applications.

Siemens

Certains protocoles sont spécialisés en fonction des applications auxquelles ils s'adressent. Certaines interfaces sans fil sont conçues par exemple pour les réseaux BACnet, destinés à l'automatisation des bâtiments.

HMS

Mais les communications sans fil recouvrent des technologies et stratégies diverses, qu'il faut élaborer soigneusement. « Il faut désormais gérer un amas de données supplémentaires, et donc maîtriser son réseau, réfléchir aux protocoles à utiliser , résume Antonin Goude, ingénieur responsable produit pour les systèmes embarqués de National Instruments. De nombreux paramètres sont à prendre en compte : chacun a sa méthodologie, son expérience. Le choix dépend aussi de la complexité des systèmes en place et des contraintes de consommation ou d'espace entre équipements.»

Pour Paul Hsu, chef de produit chez Moxa, « trois paramètres principaux sont à prendre en compte : le coût, la mobilité et l'évolutivité.» Plusieurs questions sont à se poser afin de choisir la bonne solution. Est-il nécessaire d'établir une communication redondante? Quel est le risque en cas de perte de données? « Le protocole est comme un câble entre deux points de mesure, résume Richard Keromen, en charge du marketing technique pour les automatismes et les radiofréquences chez National Instruments. Il faut se demander quel doit être son débit, sa portée, sa consommation, son niveau de sécurité. Une simple mesure de température, par exemple, remontée toutes les secondes n'est pas forcément critique, contrairement à un algorithme de contrôle performant avec alarme.» Cette démarche n'est pas différente de l'analyse à faire pour des communications filaires.

Quel protocole mettre en œuvre ?

l Le Wi-Fi est la technologie de communication sans fil ayant le plus vaste champ d'application. Il convient aussi bien pour des communications proches que jusqu'à quelques centaines de mètres. Ce protocole évolue beaucoup, de nouvelles versions sortent régulièrement. La dernière norme date de janvier 2014.

l Le WirelessHart s'utilise pour des distances à peu près similaires au Wi-Fi, mais il ne dépasse pas les 10 mégabits par seconde, quand le Wi-Fi peut dépasser les 1000.

l A plus courte distance, jusqu'à environ une centaine de mètres, le ZigBee et le Bluetooth peuvent convenir. Mais ce dernier permet de transmettre une plus grande quantité de données par seconde. Les NFC (communications en champ proche), basées sur la lecture de puces RFID, sont une solution pour obtenir des informations sans contact à quelques centimètres de distance, utiles pour des applications de traçabilité par exemple.

l Enfin, pour les longues distances, à partir de plusieurs centaines de mètres, le WiMax est une solution possible, mais les technologies cellulaires lui sont souvent préférées, avec aujourd'hui la 3G, voire la 4G. Bien qu'offrant une vitesse de transmission des données moins importante, cette dernière bénéficie d'un bon déploiement et permet de minimiser la consommation d'énergie.

Le Wi-Fi est une bonne solution à l'échelle d'un site pour un WLAN ou réseau local sans fil. Il permet d'établir une connexion jusqu'à 250 mètres de distance, en terrain libre. Mais il peut être compliqué de choisir un produit Wi-Fi en fonction de sa portée. «Les fabricants font des essais mais selon la façon dont elle est mesurée, chacun peut annoncer ce qu'il veut. Il faut être très prudent sur les valeurs indiquées, prévient Thierry Philippe (Delta Electronics). Mais à technologie égale, les portées sont souvent les mêmes.»

Cette technologie évolue beaucoup: « Les versions les plus récentes sont toujours plus performantes », continueThierry Philippe. La récupération d'erreurs ou l'amélioration de la portée sans altération de la qualité font partie de ces modifications. La dernière norme, l'IEEE 802.11ac, validée en janvier 2014, porte le débit possible à 7 gigabits par seconde dans la bande de fréquence des 5GHz. Depuis 2009, le Wi-Fi est aussi capable de prendre en charge le MIMO ( Multiple Input, Multiple Output ), c'est-à-dire les entrées/sorties multiples, en mettant à profit plusieurs antennes.

A plus petite échelle, d'autres solutions permettent de constituer un WPAN, ou réseau sans fil personnel. «Les technologies ZigBee ou WirelessHart sont intéressantes pour la remontée d'informations sur le terrain qui n'ont pas besoin d'être en temps réel », note Yves Neimer (Siemens). Les compteurs d'eau ou de gaz, par exemple, correspondent à ce cas de figure. En particulier dans le cadre du smart grid , le réseau intelligent destiné à optimiser les consommations d'énergie. Le ZigBee est capable d'envoyer des données jusqu'à une centaine de mètres,tout comme le Bluetooth, autre solution possible en milieu industriel. De ce point de vue, le WirelessHart fait mieux, avec une portée pouvant atteindre jusqu'à environ 500 mètres.

Les normes évoluent plus ou moins régulièrement, selon les technologies. La dernière version du Wi-Fi, technologie très utilisée, date de janvier 2014. Le ZigBee, moins répandu, évolue moins vite.

Emerson Process Managment

Lorsqu'il s'agit de communiquer depuis un site vers l'extérieur, on parle de WWAN, réseau étendu sans fil. Il faut alors se tourner vers les technologies cellulaires, celles utilisées pour les communications des téléphones mobiles, avec aujourd'hui la 3G et la 4G. Pour ces deux technologies, « il y a des gammes de fréquences différentes selon les pays , indiqueThierry Philippe (Delta Electronics). Il faut donc s'assurer que le matériel est bien homologué pour le pays de destination.Sinon,les produits 3G ou 4G ne pourront fonctionner qu'en 2G.»

Quelle topologie choisir pour le réseau ?

Le WiMax est une option pour certaines applications: « Il permet d'obtenir un bon débit en point à point » ,commente Richard Keromen (National Instruments). Il peut ainsi fonctionner sur 2 à 40 kilomètres. Pour Yves Neimer (Siemens), « leWiMax permet de mettre en place les mêmes fonctions qu'un réseau câblé, comme la gestion de contrôle commande ou la vidéo.» Mais son inconvénient est sa consommation d'énergie. Aujourd'hui, la 4G peut être une bonne alternative.

Pour un réseau local, l'agencement des nœuds a une grande importance sur le bon fonctionnement. « Cela nécessite une réflexion à l'avance , prévient Yves Neimer (Siemens). Il est très important de bien visualiser l'environnement pour optimiser l'implantation des points d'accès.» De nombreuses solutions sont possibles: plusieurs machines peuvent se partager un seul point d'accès, mais chacune peut avoir sa propre connexion. Pour des applications plus complexes sur un site, un réseau peut être formé en étoile, en arborescence ou maillé ( mesh ). Et au-delà, des lignes de point à point peuvent permettre de franchir de plus grandes distances.

Aperçu de l'offre en interfaces de communication sans fil

Aperçu de l'offre en interfaces de communication sans fil (suite)

Les interfaces de communication sans fil existent sous différentes formes. Elles peuvent être conçues comme des modules à intégrer directement aux machines.

B&B Electronics

Mis en réseau maillé, le ZigBee peut par exemple couvrir jusqu'à plus d'un kilomètre. « Les points de mesure vont ”rebondir” les uns sur les autres, explique Richard Keromen (National Instruments). Cela s'utilise plutôt pour des phénomènes relativement lents, avec des communications toutes les secondes par exemple. Il est possible de faire plus rapide, mais cela consommera plus d'énergie.»

L'environnement du réseau peut présenter des obstacles ou des risques d'interférences, et ainsi nuire à la qualité ou à la portée des transmissions. Ces raisons justifient elles aussi l'importance d'une étude en amont. « Les caractéristiques du milieu sont-elles susceptibles d'évoluer ? Il faut le prendre en compte pour le choix du matériel et de la puissance d'émission » ,expliqueYves Neimer (Siemens). En extérieur, par exemple, un arbre pourrait n'avoir aucune influence en hiver, mais gêner les transmissions lorsque ses feuilles repoussent.A proximité d'une route, le passage de véhicules communicants pourrait créer des interférences. Au sein même d'un site équipé, plusieurs émetteurs peuvent interférer entre eux.

Ne pas oublier l'intégration

Les points d'accès et autres outils de réseau sans fil pour l'industrie peuvent se présenter sous plusieurs formes. Certains boîtiers sont conçus pour être placés à distance de la machine à connecter. Cette flexibilité peut faciliter les communications: installer une antenne en hauteur permet parfois d'éviter aux communications d'être brouillées par des obstacles.

Bien sûr, les caractéristiques physiques varient en fonction de l'environnement. Ces appareils sont généralement conçus pour être montés sur rail DIN. D'autres sont destinés à être intégrés directement au rack d'un automate. Il existe également des modules à intégrer directement aux machines, par les fabricants. Les modules peuvent également varier par leur nombre d'antennes. Ajouter une antenne permet d'améliorer la bande passante. Pour les mesures, certains capteurs sont directement équipés d'un système de communication sans fil.

Cependant, « les technologies ont évolué, et aujourd'hui il est possible de récupérer des signaux perturbés par l'environnement », continue Yves Neimer. L'une des solutions est d'utiliser un système Wi-Fi émettant sur deux fréquences différentes. Mais pour éviter tous ces problèmes, une étude de l'environnement peut alors s'avérer utile. Elle permettra de définir si, par exemple, certaines antennes doivent être installées en hauteur, ou émettre de façon directionnelle ou omnidirectionnelle. Une telle étude implique bien sûr un coût supplémentaire. Certains fabricants ont des partenaires à qui faire appel pour ces questions.

Comme pour tous types de matériel, l'environnement industriel pose aussi des questions de robustesse. Les équipements de communication sans fil sont donc généralement sans ventilateur. Ils sont conçus pour des températures allant typiquement de - 10 à +40 ou +50°C en usine, et jusqu'à - 30 à +70°C en extérieur. Certaines cartes sont tropicalisées, c'est-à-dire recouvertes d'un vernis contre la condensation, et résistent à la corrosion. Le matériel doit aussi résister aux surtensions et aux perturbations électromagnétiques. Pour les environnements soumis à des conditions strictes d'hygiène, comme dans le secteur agroalimentaire, le sans-fil peut constituer un avantage en évacuant le problème des câbles. Enfin, les composants doivent rester sur le marché une dizaine d'années, afin que la maintenance puisse être assurée en cas de problème.

De nombreux types de capteurs intègrent une interface de communication sans fil et peuvent directement s'intégrer au réseau.

National Instruments

« D'après nos études, la plus grande inquiétude des clients face aux communications sans fil est la sécurité, observe Paul Hsu (Moxa). Mais ce n'est pas un problème, les standards donnent les moyens de mettre en place un système de sécurité efficace.» Pour les réseaux enWLAN, il existe plusieurs combinaisons possibles d'authentification et de cryptage, avec notamment les protocoles de sécuritéWEP,WPA etWPA2. « Mais la sécurité dépasse la question des communications pouvant être interceptées : elle concerne l'ensemble du système.Il faut ainsi prendre en compte la qualité de service, ou encore le niveau d'autorisation des différents utilisateurs », ajoute Paul Hsu.

Selon l'application, la connexion n'est pas soumise aux mêmes contraintes. Mais « la limite de criticité est toujours floue » , estime Yves Neimer (Siemens). Le Wi-Fi peut connaître des fluctuations de débit. Pour une application de vidéosurveillance ou la récupération de données de process, une légère dégradation de la bande passante est sans gravité. Mais pour un système de pilotage ou de guidage, par exemple d'un pont roulant, il faudra un système plus sécurisé. Cela peut passer par des protocoles «durcis».Ainsi le Profinet IO sert à des applications en temps réel.

« Il est possible de contraindre le Wi-Fi pour le rendre compatible avec les contraintes industrielles, avec un rafraîchissement des données à 4 millisecondes , continueYves Neimer. Mais en dessous de la milliseconde, le sans-fil ne fait plus l'affaire. Des applications de sécurité ou de robotique sont trop critiques pour tolérer les fluctuations du réseau.»

Souvent, pour des applications ou des fonctions spécifiques, il existe des protocoles propriétaires. Ils peuvent assurer une latence minimale, éviter la perte d'informations, ou encore assurer la redondance des communications. Leur compatibilité est donc limitée à une marque, et à ses éventuels partenaires. Mais toutes les technologies ne permettent pas la mise en place des mêmes fonctions de sécurité. Avec le ZigBee, par exemple, il n'est pas possible d'avoir de la redondance.

NHR Delta

Le nombre d'antennes est variable. Ajouter une antenne à une interface de communications peut permettre d'étendre la portée, mais également d'accéder à de nouvelles fonctions, comme gérer les entrées/sorties multiples.

Moxa

Dans une même industrie, le choix de l'adoption ou non du sans-fil peut être une question d'expérience: certains peuvent avoir été rebutés par ce type de systèmes pour les avoir essayés lorsqu'ils n'étaient pas matures. D'autres se méfient par défaut ou préfèrent garder la technologie filaire ayant fait ses preuves. Certaines situations peuvent être simples : « Pour convertir une machine déjà communicante, il suffit de la connecter à un routeur sans fil, résume Richard Keromen (National Instruments). Mais pour implémenter des fonctions plus complexes, comme le MIMO, il sera probablement nécessaire d'avoir une démarche de rétro-ingénierie.» Les possibilités ne feront en tout cas que s'accroître : «Alors que l'on commence à utiliser la 4G,le standard 5G sera bientôt prêt. Il sera possible d'utiliser non plus une seule antenne, mais jusqu'à une centaine. Implémenter le sans-fil devient un défi pour la conception d'appareils communicants », conclut Richard Keromen.