Les plus visionnaires imaginent déjà des machines et des usines dans lesquelles les composants d’automatismes communiqueraient les uns avec les autres sans utiliser de câbles. Etat des lieux.
Les technologies sans-fil ont d’ores et déjà remplacé les réseaux câblés dans bon nombre d’applications domestiques et bureautiques. Puisqu’elles deviennent des technologies de grande consommation, leur coût évolue et devient potentiellement séduisant pour les industriels. Les plus visionnaires imaginent déjà des machines et des usines dans lesquelles les composants d’automatismes communiqueraient les uns avec les autres sans utiliser de câbles. La réalité du terrain est encore loin d’être aussi idyllique et les solutions sans-fil existantes, conçues à l’origine pour des applications plus grand public, sont loin de répondre à toutes les exigences des milieux industriels. Etat des lieux.
Applications dans le domaine de l’automatisation de process
A l’instar du grand public, les industriels souhaitent eux aussi bénéficier des avantages des technologies sans-fil. Pour eux, l’exploitation d’ondes électromagnétiques pour la transmission des signaux élimine potentiellement de nombreuses contraintes. Entre autres, la suppression des câbles entraîne l’absence de problèmes liés à l’usure de ceux-ci, autorise une liberté totale de mouvements, et offre la possibilité de couvrir des zones pour lesquelles l’installation de câbles s’avérerait difficile, voire impossible. Dans l’industrie de process, par exemple, où la collecte des données capteurs requiert souvent le déploiement d’importantes longueurs de câbles et le franchissement d’obstacles divers dans un environnement difficile, les technologies sans fil peuvent apporter des gains de temps et d’argents substantiels. A condition toutefois de remplir un certain nombre de conditions :
Garantir une grande fiabilité des transmissions
Une portée allant de quelques mètres à plusieurs kilomètres
La capacité à transmettre une faible quantité de bits ou d’octets de façon cyclique
Des temps de transmission de l’ordre de quelques centaines de millisecondes
Un démarrage facile
De bonnes capacités de diagnostic
Une bonne intégration aux systèmes de contrôle existants
Applications dans le domaine de l’automatisation de processus discrets
A la différence de l’industrie de process, les longueurs de câbles importantes ne sont pas monnaie courante dans les processus manufacturiers. Par ailleurs, l’infrastructure de communication y est souvent plus moderne et plus finement maillée. D’un point de vue purement financier la transmission des signaux et des données par voie câblée constitue en règle générale la solution la plus économique. C’est du moins le cas lorsqu’il s’agit d’installations statiques. Toutefois, il n’est pas rare de rencontrer dans un environnement manufacturier des équipements mobiles automatisés tels que trans-stockeurs, véhicules électriques ou systèmes montés sur rail, utilisés pour le transfert de marchandises. La communication avec de tels systèmes par voie câblée impose l’utilisation de matériels spécifiques tels que bagues rotoriques, câbles collecteurs, drag chains avec câbles de données hautement flexibles, contribuant à la hausse du coût global de l’installation sans pour autant éliminer la vulnérabilité de celle-ci vis-à-vis des interférences. On retrouve le même type de contraintes dans le cas de dispositifs amovibles tels que les outillages robotiques, pour lesquels les connexions et déconnexions fréquentes peuvent entraîner une usure prématurée des contacts. La encore, l’utilisation de technologies sans-fil peut s’avérer intéressante, avec toutefois un certain nombre de conditions à respecter. Pour être utilisable dans ce cadre, une solution sans fil doit :
Constituer un système de transmission aussi fiable que les câbles
Posséder des temps de cycle courts et déterministes, inférieurs à la dizaine de ms
Une portée faible, de quelques dizaine de mètres
La capacité à fonctionner en parallèle avec un grand nombre d’autres systèmes sans-fil dans une zone restreinte
Une immunité contre les intrusions et les mises sur écoute
Présenter un faible de coût de connexion
Etre facilement intégrable au réseaux et systèmes de contrôle existants
Standard ou propriétaire ?
Comme nous venons de le voir, un haut degré de fiabilité, de sécurité et de stabilité est demandé aux technologies sans fil destinées à être utilisées en milieux industriels. Avant de pouvoir y prétendre, cela implique donc d’avoir atteint un certain degré de maturité et d’avoir été testé dans un nombre suffisant de cas de figure. Dans l’idéal, il est également préférable que la technologie ait été préalablement utilisée sur un marché de volume, garantissant un faible coût ainsi qu’une disponibilité à long terme des composants. Dans l’état actuel des développement, seuls les standards WLAN (IEEE 802.11 ou Wifi) et Bluetooth (IEEE 802.15.1) remplissent ces conditions minimales d’éligibilité, sachant que d’importants travaux restent à mener pour qu’ils puissent répondre de façon satisfaisante à l’ensemble des besoins et contraintes exprimés par les industriels. Bien que très prometteurs, la plupart des autres standards actuellement en cours de développement, tels que Zigbee, UWB (Ultra Wide Band) ou WiMax, en sont encore au stade des spécifications, ou n’ont pas atteint un degré de stabilité suffisant.
WLAN (IEEE 802.11)
En raison de la pénétration d’Ethernet dans les milieux industriels, l’utilisation de réseaux locaux sans fil (Wireless Local Area Network) pouvant être intégrés de façon transparente en tant que ponts radio au sein des architectures d’automatismes, évolue rapidement. Les technologies sans fil IEEE 802.11 offrent une large bande passante, pouvant atteindre 54 Mbps, et supportent la connexion d’un grand nombre d’équipements sur des distance pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres. Typiquement, un réseau WLAN est constitué d’un certain nombre de clients sans fil (laptop, passerelles, automates, etc.), communicant avec des équipements câblés (PC industriels, automates, etc.) au travers de points d’accès (Access Points), en mode infrastructure, ou directement entre eux au travers d’une liaison peer to peer, en mode ad hoc. Un point d’accès couvre une zone appelée cellule ou hotspot, et est généralement connecté à un réseau câblé LAN (Local Area Network). Certains points d’accès remplissent également une fonction de répéteur, et permettent à un backbone « Wireless » d’interconnecter plusieurs hotspot.
Le degré de maturité actuel des technologies sans fil WLAN ouvre des perspectives d’applications principalement dans deux domaines : la supervision et la maintenance mobile, ainsi que le contrôle d’équipements mobiles automatisés. Dans ce dernier cas, la fiabilité de la communication est un élément déterminant, même si l’on ne pas parler de contraintes de temps réel strict. Des temps de transmission de l’ordre de quelques dizaines de ms sont suffisantes pour transmettre 10 à 100 octets de données. Quoi qu’il en soit, soulignons que dans l’état actuel de leur développement, les réseaux WLAN ne sont pas adaptés aux applications nécessitant des temps de transferts déterministes et rapides, telles que les applications de contrôle de processus en temps réel ou de contrôle de mouvements.
Bluetooth
La technologie Bluetooth est à la fois concurrente et complémentaire de Wifi. Elle met en œuvre des techniques fondamentalement différentes de contrôle d’accès au support : alors que dans le cas de Wifi, les équipements se « disputent » en quelque sorte le droit de transmettre des données, Bluetooth utilise un mécanisme de type maître/esclave pour coordonner l’accès au média, un peu à la manière d’un bus de terrain. Les communications ont lieu dans des fenêtre temporelles de durée fixe (625 us), ce qui assure le déterminisme et fait de la technologie Bluetooth une solution particulièrement bien adaptée à la transmission rapide de paquets de données cycliques de faibles tailles. Bluetooth inclut des protocoles de haut niveau baptisés profiles qui lui permettent en principe de faire dialoguer des systèmes, dès lors qu´ils sont en présence les uns des autres, sans nécessiter l’intervention d’un opérateur. Le procédé intégré à saut de fréquence adaptatif (FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum) évite de perturber les réseaux WLAN existants. Par conséquent, Bluetooth est particulièrement adapté à la transmission de signaux de contrôle, à la communication des systèmes de contrôle via protocoles série ou Ethernet TCP/IP. Dans un certain nombre d’applications et d’environnements, Bluetooth peut également intervenir lorsqu’une communication locale est nécessaire en simple remplacement de câbles, pour déporter une communication WLAN impossible en raison d’une absence de couverture du réseau dans un lieu précis (sous-sol, salles blanches, etc…). Elle est aussi indispensable pour une communication directe entre un opérateur muni d’un terminal portable type PDA ou Smartphone et la machine à interroger (télécollecte, télémaintenance).
Encadré____________________________________________________________________
DSSS vs FHSS
Pour mémoire, en transmission radio, c’est la modulation (qui peut être d’amplitude, de phase, ou de fréquence) d’une porteuse qui « transporte » l’information. L’un des avantages des techniques dites « à étalement de spectre » (ou « spread spectrum » en anglais), est de permettre l’augmentation du débit radio en répartissant les données sur plusieurs porteuses, plutôt que de n’en utiliser qu’une seule. Les données à transmettre sont découpées en paquets, lesquels sont émis l’un après l’autre. D’abord « directe », ces techniques utilisent des bandes de fréquences relativement larges. Ce sont les techniques DSSS (Direct Signal Spread Spectum). Sont ensuite apparues les techniques dites à saut de fréquence, qui utilisent des bandes de fréquences plus étroites et « sautent » (to « hop » en anglais) de l’une à l’autre dans un ordre prédéfini (connu uniquement de l’émetteur et du récepteur), conformément à un algorithme particulier. En clair, cet algorithme enchaîne de manière pseudo-aléatoire ces bandes étroites. La technique FHSS revient donc à utiliser une bande étroite qui se déplace de manière pseudo-arbitraire par « saut » entre 2,400 000 GHz et 2,483 500 GHz. Cette technologie offre donc des avantages immédiats en termes de sécurité, d’immunité aux perturbations électromagnétiques, de robustesse, et de fiabilité du réseau. Cela dit, certains pourront lui reprocher le fait que cette robustesse se paie au détriment de la vitesse. La norme IEEE 802.11 limite le débit maximal à 2 Mbps (limitation principalement due à la bande passante de 1 MHz pour les sous-canaux et à la nécessité de synchroniser les radios d’un même réseau FHSS). Par ailleurs, les technologies DSSS n’ont pas dit leur dernier mot face à la sécurité et la fiabilité des applications. Un des avantages de la bande plus large est de permettre l’émission de chaque bit de manière redondante…. Ce sont cette fois les techniques FHSS (« Frequency Hopping Spread Spectrum »).
_____________________________________________________________Fin de l’encadré
Quoi qu’il en soit, il existe également des technologies sans fil développées spécifiquement pour des applications industrielles. Bon nombre d’entre elles fonctionnent dans la bande de fréquence ISM (Industrial Scientific Medical) des 2.4 GHz, qui peut être utilisée gratuitement et sans licence dans le monde entier. Le bandes basses ISM (433 et 868 MHz) peuvent seulement être utilisées de façon restreinte, un grand nombre de produits de grande consommation pouvant entrer en interférence. De plus, la bande passante de ces solutions est beaucoup plus faible que celle des technologies standard, ce qui signifie que les méthodes DSSS ou FHSS ne peuvent pas être utilisées.
Encadré____________________________________________________________________
ZigBee est une technologie de communication sans fil également connue sous le nom IEEE 802.15.4. Bien moins connue que Bluetooth, elle n’en est pas pour autant issue de nulle part, puisqu’il s’agit du prolongement de la norme HomeRF (Home Radio Frequency) qui a, depuis son lancement en 1998, été dépassée par le Wi-Fi. Malgré des débits autorisés relativement faibles (entre 20 et 250 Kbps), sa très faible consommation électrique et ses coûts de production très bas en font une candidate idéale pour la connexion de matériels de type capteur, télécommande ou équipement de contrôle dans le secteur industriel. Zigbee fonctionne sur la bande de fréquences des 2,4 GHz et sur 16 canaux. Sa portée était au début d’une dizaine de mètres, elle est désormais de 100 mètres. De nombreux industriels – parmi lesquels Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips et Samsung – sont partie prenante dans l’élaboration et la diffusion de la norme. Ils appartiennent d’ailleurs tous à la ZigBee Alliance, association visant à promouvoir la technologie. Globalement, tous segments de marché confondus, les volumes d’affaires liés à ZigBee pourraient atteindre, selon certains analystes, quelque 3 milliards de dollars en 2007.
j45p78
Les technologies sans-fil ont d’ores et déjà remplacé les réseaux câblés dans bon nombre d’applications domestiques et bureautiques. Puisqu’elles deviennent des technologies de grande consommation, leur coût évolue et devient potentiellement séduisant pour les industriels. Les plus visionnaires imaginent déjà des machines et des usines dans lesquelles les composants d’automatismes communiqueraient les uns avec les autres sans utiliser de câbles. La réalité du terrain est encore loin d’être aussi idyllique et les solutions sans-fil existantes, conçues à l’origine pour des applications plus grand public, sont loin de répondre à toutes les exigences des milieux industriels. Etat des lieux.
Applications dans le domaine de l’automatisation de process
A l’instar du grand public, les industriels souhaitent eux aussi bénéficier des avantages des technologies sans-fil. Pour eux, l’exploitation d’ondes électromagnétiques pour la transmission des signaux élimine potentiellement de nombreuses contraintes. Entre autres, la suppression des câbles entraîne l’absence de problèmes liés à l’usure de ceux-ci, autorise une liberté totale de mouvements, et offre la possibilité de couvrir des zones pour lesquelles l’installation de câbles s’avérerait difficile, voire impossible. Dans l’industrie de process, par exemple, où la collecte des données capteurs requiert souvent le déploiement d’importantes longueurs de câbles et le franchissement d’obstacles divers dans un environnement difficile, les technologies sans fil peuvent apporter des gains de temps et d’argents substantiels. A condition toutefois de remplir un certain nombre de conditions :
Garantir une grande fiabilité des transmissions
Une portée allant de quelques mètres à plusieurs kilomètres
La capacité à transmettre une faible quantité de bits ou d’octets de façon cyclique
Des temps de transmission de l’ordre de quelques centaines de millisecondes
Un démarrage facile
De bonnes capacités de diagnostic
Une bonne intégration aux systèmes de contrôle existants
Applications dans le domaine de l’automatisation de processus discrets
A la différence de l’industrie de process, les longueurs de câbles importantes ne sont pas monnaie courante dans les processus manufacturiers. Par ailleurs, l’infrastructure de communication y est souvent plus moderne et plus finement maillée. D’un point de vue purement financier la transmission des signaux et des données par voie câblée constitue en règle générale la solution la plus économique. C’est du moins le cas lorsqu’il s’agit d’installations statiques. Toutefois, il n’est pas rare de rencontrer dans un environnement manufacturier des équipements mobiles automatisés tels que trans-stockeurs, véhicules électriques ou systèmes montés sur rail, utilisés pour le transfert de marchandises. La communication avec de tels systèmes par voie câblée impose l’utilisation de matériels spécifiques tels que bagues rotoriques, câbles collecteurs, drag chains avec câbles de données hautement flexibles, contribuant à la hausse du coût global de l’installation sans pour autant éliminer la vulnérabilité de celle-ci vis-à-vis des interférences. On retrouve le même type de contraintes dans le cas de dispositifs amovibles tels que les outillages robotiques, pour lesquels les connexions et déconnexions fréquentes peuvent entraîner une usure prématurée des contacts. La encore, l’utilisation de technologies sans-fil peut s’avérer intéressante, avec toutefois un certain nombre de conditions à respecter. Pour être utilisable dans ce cadre, une solution sans fil doit :
Constituer un système de transmission aussi fiable que les câbles
Posséder des temps de cycle courts et déterministes, inférieurs à la dizaine de ms
Une portée faible, de quelques dizaine de mètres
La capacité à fonctionner en parallèle avec un grand nombre d’autres systèmes sans-fil dans une zone restreinte
Une immunité contre les intrusions et les mises sur écoute
Présenter un faible de coût de connexion
Etre facilement intégrable au réseaux et systèmes de contrôle existants
Standard ou propriétaire ?
Comme nous venons de le voir, un haut degré de fiabilité, de sécurité et de stabilité est demandé aux technologies sans fil destinées à être utilisées en milieux industriels. Avant de pouvoir y prétendre, cela implique donc d’avoir atteint un certain degré de maturité et d’avoir été testé dans un nombre suffisant de cas de figure. Dans l’idéal, il est également préférable que la technologie ait été préalablement utilisée sur un marché de volume, garantissant un faible coût ainsi qu’une disponibilité à long terme des composants. Dans l’état actuel des développement, seuls les standards WLAN (IEEE 802.11 ou Wifi) et Bluetooth (IEEE 802.15.1) remplissent ces conditions minimales d’éligibilité, sachant que d’importants travaux restent à mener pour qu’ils puissent répondre de façon satisfaisante à l’ensemble des besoins et contraintes exprimés par les industriels. Bien que très prometteurs, la plupart des autres standards actuellement en cours de développement, tels que Zigbee, UWB (Ultra Wide Band) ou WiMax, en sont encore au stade des spécifications, ou n’ont pas atteint un degré de stabilité suffisant.
WLAN (IEEE 802.11)
En raison de la pénétration d’Ethernet dans les milieux industriels, l’utilisation de réseaux locaux sans fil (Wireless Local Area Network) pouvant être intégrés de façon transparente en tant que ponts radio au sein des architectures d’automatismes, évolue rapidement. Les technologies sans fil IEEE 802.11 offrent une large bande passante, pouvant atteindre 54 Mbps, et supportent la connexion d’un grand nombre d’équipements sur des distance pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres. Typiquement, un réseau WLAN est constitué d’un certain nombre de clients sans fil (laptop, passerelles, automates, etc.), communicant avec des équipements câblés (PC industriels, automates, etc.) au travers de points d’accès (Access Points), en mode infrastructure, ou directement entre eux au travers d’une liaison peer to peer, en mode ad hoc. Un point d’accès couvre une zone appelée cellule ou hotspot, et est généralement connecté à un réseau câblé LAN (Local Area Network). Certains points d’accès remplissent également une fonction de répéteur, et permettent à un backbone « Wireless » d’interconnecter plusieurs hotspot.
Le degré de maturité actuel des technologies sans fil WLAN ouvre des perspectives d’applications principalement dans deux domaines : la supervision et la maintenance mobile, ainsi que le contrôle d’équipements mobiles automatisés. Dans ce dernier cas, la fiabilité de la communication est un élément déterminant, même si l’on ne pas parler de contraintes de temps réel strict. Des temps de transmission de l’ordre de quelques dizaines de ms sont suffisantes pour transmettre 10 à 100 octets de données. Quoi qu’il en soit, soulignons que dans l’état actuel de leur développement, les réseaux WLAN ne sont pas adaptés aux applications nécessitant des temps de transferts déterministes et rapides, telles que les applications de contrôle de processus en temps réel ou de contrôle de mouvements.
Bluetooth
La technologie Bluetooth est à la fois concurrente et complémentaire de Wifi. Elle met en œuvre des techniques fondamentalement différentes de contrôle d’accès au support : alors que dans le cas de Wifi, les équipements se « disputent » en quelque sorte le droit de transmettre des données, Bluetooth utilise un mécanisme de type maître/esclave pour coordonner l’accès au média, un peu à la manière d’un bus de terrain. Les communications ont lieu dans des fenêtre temporelles de durée fixe (625 us), ce qui assure le déterminisme et fait de la technologie Bluetooth une solution particulièrement bien adaptée à la transmission rapide de paquets de données cycliques de faibles tailles. Bluetooth inclut des protocoles de haut niveau baptisés profiles qui lui permettent en principe de faire dialoguer des systèmes, dès lors qu´ils sont en présence les uns des autres, sans nécessiter l’intervention d’un opérateur. Le procédé intégré à saut de fréquence adaptatif (FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum) évite de perturber les réseaux WLAN existants. Par conséquent, Bluetooth est particulièrement adapté à la transmission de signaux de contrôle, à la communication des systèmes de contrôle via protocoles série ou Ethernet TCP/IP. Dans un certain nombre d’applications et d’environnements, Bluetooth peut également intervenir lorsqu’une communication locale est nécessaire en simple remplacement de câbles, pour déporter une communication WLAN impossible en raison d’une absence de couverture du réseau dans un lieu précis (sous-sol, salles blanches, etc…). Elle est aussi indispensable pour une communication directe entre un opérateur muni d’un terminal portable type PDA ou Smartphone et la machine à interroger (télécollecte, télémaintenance).
Encadré____________________________________________________________________
DSSS vs FHSS
Pour mémoire, en transmission radio, c’est la modulation (qui peut être d’amplitude, de phase, ou de fréquence) d’une porteuse qui « transporte » l’information. L’un des avantages des techniques dites « à étalement de spectre » (ou « spread spectrum » en anglais), est de permettre l’augmentation du débit radio en répartissant les données sur plusieurs porteuses, plutôt que de n’en utiliser qu’une seule. Les données à transmettre sont découpées en paquets, lesquels sont émis l’un après l’autre. D’abord « directe », ces techniques utilisent des bandes de fréquences relativement larges. Ce sont les techniques DSSS (Direct Signal Spread Spectum). Sont ensuite apparues les techniques dites à saut de fréquence, qui utilisent des bandes de fréquences plus étroites et « sautent » (to « hop » en anglais) de l’une à l’autre dans un ordre prédéfini (connu uniquement de l’émetteur et du récepteur), conformément à un algorithme particulier. En clair, cet algorithme enchaîne de manière pseudo-aléatoire ces bandes étroites. La technique FHSS revient donc à utiliser une bande étroite qui se déplace de manière pseudo-arbitraire par « saut » entre 2,400 000 GHz et 2,483 500 GHz. Cette technologie offre donc des avantages immédiats en termes de sécurité, d’immunité aux perturbations électromagnétiques, de robustesse, et de fiabilité du réseau. Cela dit, certains pourront lui reprocher le fait que cette robustesse se paie au détriment de la vitesse. La norme IEEE 802.11 limite le débit maximal à 2 Mbps (limitation principalement due à la bande passante de 1 MHz pour les sous-canaux et à la nécessité de synchroniser les radios d’un même réseau FHSS). Par ailleurs, les technologies DSSS n’ont pas dit leur dernier mot face à la sécurité et la fiabilité des applications. Un des avantages de la bande plus large est de permettre l’émission de chaque bit de manière redondante…. Ce sont cette fois les techniques FHSS (« Frequency Hopping Spread Spectrum »).
_____________________________________________________________Fin de l’encadré
Quoi qu’il en soit, il existe également des technologies sans fil développées spécifiquement pour des applications industrielles. Bon nombre d’entre elles fonctionnent dans la bande de fréquence ISM (Industrial Scientific Medical) des 2.4 GHz, qui peut être utilisée gratuitement et sans licence dans le monde entier. Le bandes basses ISM (433 et 868 MHz) peuvent seulement être utilisées de façon restreinte, un grand nombre de produits de grande consommation pouvant entrer en interférence. De plus, la bande passante de ces solutions est beaucoup plus faible que celle des technologies standard, ce qui signifie que les méthodes DSSS ou FHSS ne peuvent pas être utilisées.
Encadré____________________________________________________________________
ZigBee est une technologie de communication sans fil également connue sous le nom IEEE 802.15.4. Bien moins connue que Bluetooth, elle n’en est pas pour autant issue de nulle part, puisqu’il s’agit du prolongement de la norme HomeRF (Home Radio Frequency) qui a, depuis son lancement en 1998, été dépassée par le Wi-Fi. Malgré des débits autorisés relativement faibles (entre 20 et 250 Kbps), sa très faible consommation électrique et ses coûts de production très bas en font une candidate idéale pour la connexion de matériels de type capteur, télécommande ou équipement de contrôle dans le secteur industriel. Zigbee fonctionne sur la bande de fréquences des 2,4 GHz et sur 16 canaux. Sa portée était au début d’une dizaine de mètres, elle est désormais de 100 mètres. De nombreux industriels – parmi lesquels Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips et Samsung – sont partie prenante dans l’élaboration et la diffusion de la norme. Ils appartiennent d’ailleurs tous à la ZigBee Alliance, association visant à promouvoir la technologie. Globalement, tous segments de marché confondus, les volumes d’affaires liés à ZigBee pourraient atteindre, selon certains analystes, quelque 3 milliards de dollars en 2007.
