Les passerelles de communication industrielles

Le 11/09/2017 à 13:30

Certains modèles de passerelles industrielles sont aujourd'hui conçus pour l'Internet des objets (IoT), et proposent des fonctions d'analyses de données.

Dell

Dans les réseaux industriels, les bus perdent du terrain. Les protocoles basés sur Ethernet ont pris leur place sur les nouveaux équipements. Mais les systèmes industriels ont une durée de vie importante : des machines utilisant des protocoles plus anciens sont donc toujours installées, et cette situation devrait durer encore des années. Même sur Ethernet, les protocoles sont nombreux, et le langage universel est encore loin. C'est donc aux passerelles qu'il revient d'assurer la traduction des communications. Des passerelles dédiées à la simple gestion d'un bâtiment à celles employées dans un process critique soumis à des normes strictes, le prix peut varier d'une centaine à plusieurs dizaines de milliers d'euros : le marché est vaste.

Des systèmes hétérogènes

Une passerelle est un système permettant de convertir un message d'un protocole à l'autre. « On les retrouve dans le bâtiment aussi bien que dans le process », précise Grégory Thami, responsable du réseau de distribution de HMS. La com-munication est une partie intégrante de la vie d'une machine ou d'une usine, et il est nécessaire de faire communiquer entre eux des systèmes hétérogènes. » La passerelle va pour cela se servir d'une table d'échanges entre les deux protocoles : « On lit les données d'un côté, et on les met à disposition de l'autre , résume Rémy Guedot, gérant de la société RG2i, qui distribue notamment des passerelles industrielles. Parfois, on a besoin au passage de convertir des données, faire des calculs, ou utiliser des fonctions lo-giques. Il existe pour cela des passerelles programmables, mais cela ne se fait pas sur tous les protocoles. » Tous les fabricants ne proposent pas ce type de fonctions : « Nous n'avons pas vocation à modifier l'information qui passe sur une passerelle , explique Grégory Thami (HMS). Nos systèmes effectuent une simple conversion, le plus rapidement possible, sans rien ajouter, ni traiter les données. »

Ces besoins peuvent se retrouver dans toutes sortes d'applications indus-trielles, aussi bien pour l'instrumentation que pour le process. « Certaines machines ont des instruments développés sur une base RS (de type série). Nous avons encore de la demande pour des cartes d'entrées/sorties basées sur ces protocoles , observe Ronan Bremont, chef de produit automation chez Phoenix Contact. Les scanners de codes-barres, par exemple, ont longtemps été développés ainsi, avant de passer sur Ethernet. » « Lorsque l'on réaménage de vieilles installations, avec de vieux automates, il faut gérer des protocoles datant parfois de 20 ou 30 ans , continue Rémy Guedot (RG2i). Les protocoles de type CAN ou DeviceNet, par exemple, correspondant à des applications de terrain, peuvent être utilisés sur une machine.

Mais lorsque l'on veut remonter des informations, on se retrouve aujourd'hui très vite avec des protocoles basés sur Ethernet. Profinet et Modbus TCP sont les deux grands standards de ce type aujourd'hui ».

« Plus l'industrie s'automatise, plus on a de nouveaux protocoles », indique Pierre-Yves Morel, responsable grands comptes chez HMS. Les protocoles utilisés dépendent notamment du secteur d'activité, mais aussi des réseaux commerciaux. Selon les zones géographiques, certains fabricants d'équipements sont plus ou moins bien implantés. BACnet, LonWorks, M-Bus ou encore KNX sont ainsi présents dans le secteur du bâtiment, pour la gestion de la climatisa-tion, des interrupteurs ou des automatismes. « Ce domaine voit fleurir des protocoles incompatibles entre eux », note Pierre-Yves Morel. À l'inverse, d'autres protocoles déclinent ou disparaissent, comme FIP, BatiBus, ou encore DF-1.

Certaines passerelles associent des ports physiques et des interfaces sans fil.

Moxa

Cela arrive quand le principal fournisseur veut se mettre à jour, et passe ses machines sur un système Ethernet pour obtenir une meilleure performance. Les différents protocoles ont leur spécialité. Côté industrie, par exemple, Hart est plutôt dédié aux capteurs. OPC Unified Architecture (UA), dont la demande est émergente, a pour vocation à faire remonter des informations du terrain vers les niveaux supérieurs. « Certains protocoles vont vite, mais pas loin , commente Rémy Guedot (RG2i). On les utilise en local, sur une machine par exemple, sur quelques mètres. D'autres sont plus lents, mais vont plus loin. » Les protocoles fermés sont de moins en moins utilisés : « Les interfacer entre eux coûtait très cher en passerelles , rappelle Rémy Guedot. Aujourd'hui, les clients en ont assez d'être liés avec un constructeur lorsqu'ils doivent changer des éléments du réseau. Il faut être sur des standards ! » Parmi les protocoles anciens toujours présents aujourd'hui, ceux sur base RS sont encore courants : « Ils regroupent les protocoles CAN, CANopen, DeviceNet ou Profibus DP , rappelle Ronan Bremont (Phoenix Contact). Les grosses sociétés pouvaient développer leur propre protocole à partir de RS-485 ou de RS-232. » Le plus répandu de ces protocoles est Profibus, suivi par Modbus : « Ce dernier existait déjà il y a 35 ans, et l'on m'a toujours dit que c'était fini , s'amuse Rémy Guedot (RG2i). Mais ce protocole est facile à utiliser et à paramétrer. De nombreux produits sont compatibles, et certains superviseurs ont ce protocole en standard. Ce n'est pas le plus performant, mais il s'est imposé mondialement par sa robustesse, sa simplicité et son ouverture. » « Tout le monde pouvait développer sur Modbus, et c'est un protocole très utilisé également en instrumentation , complète Ronan Bremont (Phoenix Contact). Il permet de communiquer des informations plus complètes que le tout Tout-Ou-Rien (TOR) ou l'analogique, ce qui est utile pour la mesure. » Aujourd'hui, « Modbus est souvent le point commun entre les différents équipements d'une installation , continue Rémy Guedot (RG2i). Il permet de remettre à plat des données qui peuvent être compliquées à manipuler lorsque l'on change de protocole, comme les horloges. Enfin, à partir d'une supervision classique, Modbus TCP est la solution la plus facile pour homogénéiser ses données ».

Dans l'industrie, les réseaux Ethernet prennent de plus en plus de place. « Il est facile de bâtir une infrastructure réseau avec Ethernet , poursuit Rémy Guedot. On ajoute des commutateurs, des convertisseurs de média, et l'on peut facilement relier une installation à une autre située à l'autre bout de la planète. De plus, il y a toujours des nouveautés. » Parmi les protocoles Ethernet, « Modbus TCP est l'un des premiers. Il est très utilisé en France car natif sur les automates de Schneider Electric , rappelle Ronan Bremont (Phoenix Contact). Très facile d'utilisation, il montre toutefois ses limites face à l'augmentation du volume et de la complexité des données ».

Chaque protocole de communication a ses caractéristiques propres. Certains sont adaptés aux applications en temps réel, d'autres offrent l'avantage de la simplicité…

HMS

Bien définir les protocoles en jeu sur le réseau est la première étape dans le choix d'une passerelle. La suivante est de spécifier lequel sera le maître, et lequel sera l'esclave. Selon le fabricant, le vocabulaire peut changer : certains parlent plutôt de « scanner » que de maître. La question est de savoir quel système gère les échanges. « Souvent, les utilisateurs ne savent pas y répondre », note Rémy Guedot (RG2i). La quantité de données à faire transiter est un autre paramètre important. Les bus de terrain ne permettent pas de transporter autant de données que l'Ethernet, et la quantité que peut traiter une passerelle est limitée. Mais il est possible de doubler la passerelle en cas de besoins dépassant la capacité du modèle.

La croissance des bus de terrain ralentit, au profit des protocoles basés sur Ethernet, qui facilitent le lien avec les réseaux informatiques classiques.

Comtrol

Le temps de réponse peut également être limitant : Modbus TCP n'est pas déterministe, son temps de réponse peut être supérieur à 100 millisecondes. Les machines dotées de nombreux moteurs, comme pour de la découpe ou de l'emballage, nécessitent de basculer vers d'autres protocoles. « Le remplissage de bouteilles, par exemple, nécessite une cadence très importante , illustre Ronan Bremont (Phoenix Contact). C'est une application impensable en Modbus. » D'autres standards sont mieux adaptés, comme EtherNet/IP ou Profinet. Lorsqu'il s'agit de temps réel, c'est du côté d'EtherCAT qu'il faut se pencher. « Ce standard est lié à l'avènement de sociétés comme Beckhoff , précise Christophe Szymaniak, chef de produits chez ifm electronic. Extrêmement rapide, il monte en puissance, car les besoins sont de plus en plus importants ».

La croissance d'Ethernet

Selon les données de HMS, l'Ethernet industriel représentait en 2016 une part de marché de 46 %, avec une croissance annuelle de 22 %. « Mais, en parallèle, les bus de terrain continuent à croître eux aussi », note Grégory Thami (HMS). Avec 4 % de croissance annuelle et 48 % de parts de marché, ils restent devant l'Ethernet.

Les 6 % restants sont dévolus au sans-fil (croissance annuelle de 32 %). « L'Ethernet n'est pas toujours intéressant , commente Grégory Thami. Les bus de terrain, plus lents, sont parfois plus fiables. L'industrie de process, comme la chimie, utilise encore beaucoup de liaisons série. Passer en Ethernet nécessiterait des infrastructures différentes. Les derniers processeurs des fabricants d'automatismes ont Ethernet en natif. Il faut parfois leur ajouter des cartes pour bus de terrain, ou des passerelles. »

Comme pour les bus de terrain, les grands fabricants d'automatismes ont chacun fait le choix de soutenir un protocole basé sur Ethernet. Rockwell Automation utilise EtherNet/IP, qui représentait en 2016 11 % de parts de marché. Profinet, défendu par Siemens, a la même importance. On trouve ensuite EtherCAT à 7 %. Viennent ensuite Modbus TCP et Powerlink, chacun à 4 %. « Pour les plus petits réseaux, il y a moins de têtes de file », note Pierre-Yves Morel (HMS), qui prévoit à l'avenir « un effet de tassement, mais pas un protocole unique. » « Chaque protocole a ses propres spécificités, il est donc difficile d'avoir une passerelle générique », estime Ronan Bremont (Phoenix Contact). L'étendue du choix reflète la diversité des protocoles utilisés par l'industrie. Le nombre de combinaisons possibles est très vaste. « Nous proposons plus de 400 combinaisons différentes », précise Grégory Thami (HMS). Mais même une telle gamme ne couvre pas tous les protocoles : « Nous ne pouvons pas tout avoir. Certains sont sur des marchés trop ciblés. Avant de lancer une nouvelle solution, ce qui représente des investissements lourds, nous faisons une étude de marché, pour voir si cela vaut le coup d'un point de vue économique », ajoute-t-il. Quand ce n'est pas le cas, l'entreprise, qui compte 30 % de son effectif en recherche et développement, peut parfois proposer à ses clients de participer aux frais de développement d'une solution spécifique.

Les questions à se poser

Pour choisir la passerelle la mieux adaptée à son application, les principales questions à se poser sont les suivantes : l Quels sont les protocoles de communication en jeu ? Lequel est le maître, lequel est l'esclave ? l Combien d'entrées doit avoir la passerelle ? Cela dépend du nombre de systèmes devant passer par l'étape de conversion. l Quelle est la vitesse de conversion acceptable ? l Quelle est la quantité de données à traiter ? l Y a-t-il des contraintes environnementales ? l Quels sont les besoins en termes de sécurité ? l Quelles fonctions additionnelles pourront être utiles (diagnostic, configuration automatique…) ?

Les serveurs embarqués sont désormais une caractéristique courante des passerelles. Ils permettent notamment de faciliter la configuration.

Phoenix Contact

Mais la plus grande partie du marché des passerelles est dédiée à la conversion de protocoles en base RS vers l'Ethernet. « L'exemple de conversion le plus classique est de transformer un signal en Modbus RTU vers Modbus TCP, basé sur Ethernet. Ce type de passerelle est actuellement le plus vendu », observe Ronan Bremont (Phoenix Contact). Moxa, qui fabrique également des passerelles, fait le même constat. En effet, si le parc existant de machines utilisant le protocole Modbus RTU est encore important, les PC et les automates, eux, sont de moins en moins dotés de ports RS. L'adaptation d'an-ciennes installations nécessite donc l'emploi de passerelles.

L'un des facteurs limitants pour l'usage des passerelles reste toutefois le temps de conversion d'un protocole à l'autre. « Pour certaines applications, le contrôle de mouvement en particulier, il faut des temps de réaction extrêmement courts », précise Pierre-Yves Morel (HMS). « Mais il est rare que, sur un réseau industriel, le couple entre l'électronique et la mécanique soit cassé , tempère Grégory Thami (HMS). Le choix du matériel se fait sur l'ensemble de la chaîne, de la commande au moteur, et au codeur. Il n'y a normalement pas besoin de passerelle à cet endroit. »

En effet, le rôle d'une passerelle est plutôt de synchroniser ces machines à un autre système plus complexe. « Nous avons rarement été bloqués par un temps de conversion », continue Grégory Thami. Ainsi, la stratégie de HMS est de miser sur la pérennité et la stabilité dans le temps, plutôt que de rechercher à réduire le temps de traduction entre deux protocoles. « Cela pourrait être au détriment de la fiabilité », estime Grégory Thami. Pour Moxa, en revanche, les problèmes de latence lors du passage des protocoles série vers Ethernet justifient de pousser plus loin la performance des passerelles.

Les passerelles peuvent être montées en armoire électrique, mais également sur le terrain. Certains modèles sont étanches.

ifm electronic

Une configuration simplifiée

D'un fabricant à l'autre, et d'un modèle à l'autre, plusieurs critères peuvent faire la différence entre deux passerelles. D'abord, le nombre de ports d'entrées/sorties, pour les différents protocoles. « Nous proposons depuis trois ans des systèmes à trois ports , illustre Christophe Szymaniak (ifm electronic). L'avantage est que l'on peut récupérer des informations sur un réseau AS-i, et les remonter à la fois vers un automate, pour la gestion du process, et vers un PC sur TCP/IP, ou vers une application en cloud. » Sans ce système de communication en Y, c'est à l'automate lui-même que reviendrait la tâche de renvoyer les données.

Les serveurs embarqués sont devenus la norme sur de nombreux produits. « C'est un système simple d'utilisation, accessible à partir d'un navigateur web », explique Ronan Bremont (Phoenix Contact). Désormais, un câble Ethernet suffit pour avoir accès à des informations utiles à la maintenance, ou à une interface de configuration. « Auparavant, il fallait des câbles série , rappelle Ronan Bremont. Certains fabricants avaient des protocoles propriétaires, des logiciels spécifiques, parfois payants, étaient nécessaires ».

Le serveur web embarqué élimine ces contraintes, tout en sécurisant l'information envoyée, et en garantissant le verrouillage par mot de passe. « C'est utile pour le personnel de maintenance, qui n'a pas forcément accès à la grosse supervision de l'usine », argumente Rémy Guedot (RG2i). Ces informations peuvent même être accessibles à distance. Utiliser ce type de fonctions relève d'un choix d'organisation : l'entreprise peut préférer que tout soit géré à un niveau supérieur plutôt que directement sur le terrain via une « mini-supervision », sans recours au service informatique.

La mise en route des passerelles peut également être simplifiée par des fonctions automatiques permettant de reconnaître directement le protocole utilisé. Une fonction utile sur les passerelles regroupant différents types de signaux pour les envoyer en une trame unique. Ces systèmes évitent alors la mise en place d'une passerelle pour chaque protocole. Certaines passerelles proposent aussi des solutions pour mettre en œuvre des topologies comme un anneau auto-cicatrisant, assurant la robustesse du réseau. « Cela peut se faire sans être un expert », estime Rémy Guedot.

À l'avenir, de plus en plus de systèmes industriels devraient se connecter à Internet. Dans ce contexte, Moxa souhaite faire en sorte que les passerelles soient plus que jamais faciles à utiliser. Le fabricant propose ainsi un système de routage automatique pour passerelles Modbus, destiné à simplifier la configuration. Un mode intelligent permet également à une passerelle d'ap-prendre automatiquement des commandes de la part d'un maître Modbus TCP, afin d'obtenir un temps de réponse plus court des systèmes Modbus RTU. Encore d'autres fonctions peuvent être embarquées, comme des calculs, des alarmes, la mise en forme du signal, ou encore la définition des types ou des vitesses de trames. « Certaines passerelles permettent d'enregistrer l'historique des données sur une carte SD , indique Rémy Guedot (RG2i). Ou encore de lire ou d'écrire des données sur un automate.

Les points d'accès sans fil

Les communications industrielles sans fil ont connu en 2016 une croissance annuelle de 32 %, selon les chiffres de HMS. Certains fabricants qualifient de passerelles les systèmes transposant un signal d'un support physique vers le sans-fil. L'objectif n'est pourtant pas le même : « Une passerelle fait l'interface entre deux langages différents , explique Grégory Thami, responsable du réseau de distribution chez HMS. Convertir un média du filaire vers le sans-fil est un changement de support physique, mais pas de protocole. » On parle alors de « point d'accès ».

Ne pas oublier la sécurité

Ouvrir un réseau industriel vers un réseau informatique classique, par l'intermédiaire d'un protocole Ethernet, expose l'usine à des failles de sécurité. « Il existe un risque de perturber l'installation si l'on ne maîtrise pas les passerelles sur la partie informatique du réseau », prévient Franck Noyaret, chef produit réseau industriel et identification chez Siemens. En effet, les mises à jour ne peuvent pas être effectuées aussi facilement sur le réseau lié à la production, car il existe un risque d'arrêt. « Les besoins de ces deux réseaux sont différents », résume Franck Noyaret. Il est donc conseillé de séparer ces deux réseaux, en isolant les cellules de production. Cela peut éviter également la propagation d'attaques sur le réseau. Une seule porte sécurisée servira alors à remonter les informations. Certaines passerelles fournissent des outils pour cela : « Nous proposons des passerelles IO-Link avec deux adresses IP, qui permettent de séparer le réseau informatique du réseau lié à la production », explique Christophe Szymaniak, chef de produits chez ifm electronic.

Embarquer ces fonctions sur la passerelle peut offrir plus de souplesse. Lorsqu'une nouvelle machine doit s'intégrer à une installation existante, par exemple, on a la possibilité de corriger des défauts de données via la passerelle. » Les contraintes environnementales peuvent bien sûr jouer dans le choix d'un modèle de passerelle. « Certains modèles sont étanches, avec un indice de protection allant jusqu'à IP69K, pour une installation sur le terrain », indique Christophe Szymaniak (ifm electronic). « Ce type de montage réduit le temps de câblage par rapport à une installation en armoire électrique. Certains industriels en voient l'intérêt, d'autres sont plus frileux. C'est une question qui s'est toujours posée en automatisme, et qui dépend notamment de la culture de l'entreprise. » Des circuits laqués, comme le propose HMS, peuvent également donner une bonne résistance aux vibrations.

À l'avenir, « les bus de terrain vont tout doucement disparaître les uns après les autres , prévoit Grégory Thami (HMS). Un système comme Modbus RTU, simple et peu cher, ne représentera qu'une petite part de marché. » De même, les protocoles CAN ou CANopen pourraient garder une place dans les usines. Mais les protocoles comme Profibus, ayant des successeurs en version Ethernet, devraient, à terme, disparaître. Les appareils connectés sur les réseaux industriels seront-ils tous interopérables un jour ? Certains l'espèrent, et comptent pour cela notamment sur la technologie OPC UA. Pour d'autres, cela n'est pas près d'arriver, et les passerelles ont donc encore de beaux jours devant elles.

Un automate comme passerelle

L'informatique et l'industrie ont leurs protocoles spécifiques. Une passerelle peut s'interfacer entre les deux. Mais certaines usines utilisent des automates pour effectuer cette tâche : « L'automate est détourné de sa fonction première, à savoir le séquencement d'une production, pour récupérer des données et les mettre à disposition du service informatique , explique Grégory Thami, responsable du réseau de distribution chez HMS. Cela nécessite un développement spécifique ». Cette solution présente l'inconvénient de devoir faire évoluer le logiciel embarqué lorsque le standard évolue. Alors qu'une passerelle peut être vendue avec une compatibilité assurée sur plusieurs années, suivant les évolutions des protocoles.