La dernière journée d’étude menée par la See et l’Isa était dédiée aux technologies sans fil dans l’industrie. A première vue, on pourrait se demander pourquoi un tel rendez-vous, le sans fil est déjà présent pratiquement partout que ce soit dans la vie quotidienne, dans les trains, dans les grandes surfaces… donc dans l’industrie. Seulement vous savez autant que moi que les industriels ont horreur des instabilités. Et pour l’instant on ne peut pas dire que le sans-fil soit une technologie stabilisée, les normes d’il y a deux ans sont battues en brèches par de nouvelles, et de prochaines pointent leur nez.
Connaissez-vous Zigbee ou Tetra ? Non, alors en route pour une petite explication du sans-fil en ce début de l’an 2004. Pour cet aperçu c’est Jean Pierre Hauet de Bea Consulting qui s’est prêté au jeu du débroussaillage.
L’histoire du sans fil a commencé dans les années 50 avec les premiers téléphones mobiles 124 MHz en réseaux locaux, le vrai décollage datant de 1983 pour les Etats-Unis avec l’AMPS, il faudra attendre 1986 pour la France avec l’arrivée de Radiocom 2000. A cette époque il s’agissait de système cellulaire analogique, tout le monde se rappelle les premières voitures qui en étaient équipées, sorte de homard roulant. Le système se situait dans la bande des 400 Mhz avec un ensemble de 600 relais et l’universalité du numéro.
L’équipement n’était pas fourni pour un euro symbolique mais pour environ 3.000 euros avec un coût de la communication frisant l’euro par minute, du coup le produit était limité à 300.000 personnes. L’antenne faisait, à l’époque, partie du statut social, plus elle était longue, plus le personnage était important.
Pour la démocratisation il a fallu attendre la deuxième génération qui arriva dans les années 90 avec le GSM, et donc le cellulaire digital. L’ouverture de service sur le sol français est intervenue en 1992. Le résultat dépassa toutes les espérances, fin 2003 ce sont plus d’un million d’abonnées desservis par 600 opérateurs dans 180 pays. Un succès qui a même renversé les solutions concurrentes aux USA. L’Europe a su démontrer pour une fois l’efficacité de l’union.
Le GSM a toutefois quelques limitations comme un temps de latence très long, de faibles débits de données à 9,6 kbits/sec, sans parler des connexions médiocres à Internet et des trous noirs. Aussi, il fallait passer à la troisième génération.
Seulement si tout semblé écrit par avance, le GSM a quelque peu bloqué le système. La troisième génération avec l’UMTS s’est révélé plus long et cher, et de son coté le GSM devenant plus compétitif, le ratio coût des services/coût de l’équipement n’est pas idéal.
Tetra pour les Scada
Parallèlement à cette bataille qui concerne plutôt le grand public, une autre plus sourde se faisait jour avec l’approbation de nouveaux standards internationaux comme les normes IEEE 802 avec les 802.11 (1997) et suivante, la 802.15 (2002) pour Bluetooth et Zigbee, et la 802.16 pour la WiMax. Des variantes du GSM se sont également mis sur les rangs avec notamment le réseau Tetra une sorte de version professionnelle du GSM.
Tetra (Terrestrial Trunked Radio) est un système numérique destiné aux professionnels et qui fonctionne en multiplexage TDMA (4 utilisateurs par canaux de 25 kHz). Ces atouts principaux sont la gestion des priorités et la possibilité de fonctionner en mode paquets et d’encapsuler les trames IP.
Du coup, on va retrouver Tetra principalement dans les services d’urgences ou la gestion de flotte, rien de bien industriel à priori. Mais en y regardant de plus près, le contrôle et la surveillance d’installations distantes ou des applications d’interconnexion de systèmes de contrôle pourraient bien utiliser Tetra. Ne soyez donc pas surpris si votre fournisseur préféré de Scada vous parle de ce réseau un jour.
Tetra reste un complément aux solutions de troisième génération. Il existe également des sortes de deuxième génération et demi dans lesquelles se trouve le GPRS qui est une première implémentation d’un système de communication de paquets sur base GSM avec un débit théorique de 160 kbits/s sur 8 canaux, mais dans la pratique ce sont plutôt les 40 kBits/sec qui sont atteints.
Les applications GPRS industrielles sont connues, ce sera le positionnement de véhicule, le transfert de fichiers, la télémaintenance ou le télécontrole.
Encore plus près de cette fameuse troisième génération, Edge. Une technique de modulation permettant d’atteindre 384 kbits/sec. Le débit théorique est annoncé pour 473,6 kBits/sec, on se rapproche du 3G.
Voilà pour un rapide tour de table des solutions qui concerne plus les niveaux haut des entreprises, à savoir la gestion de la télémaintenance, le Scada interentreprise. Au cœur du site de production, la bagarre est encore plus rude.
Pas de quoi rassurer les industriels.
On pourrait penser qu’autant il faut limiter les bandes de fréquences pour les télécommunications extérieures, autant au sein même d’une entreprise il existait une certaine liberté.
Eh bien détrompez-vous, la liste de fréquences libérées est un vrai casse tête, surtout que les militaires veillent sur ce qu’ils considèrent comme leur près carré. Et comme aucune normalisation des fréquences n’existent au niveau mondial, on se retrouve avec des fréquences interdites dans un pays et autorisées dans un autre, pires certaines fréquences identiques sont autorisées avec des puissances différentes en fonction du pays.
Un véritable casse-tête pour les fournisseurs de matériels qui recherchent toujours à homogénéiser leurs solutions matérielles et se retrouvent avec un produit ayant des fonctionnalités similaires mais qui sera impossible de déplacer d’un pays à un autre sans changer, au mieux le logiciel, au pire une partie du matériel.
Pas de quoi rassurer les industriels.
On ne va pas rentrer dans le détail des fréquences, mais il faut savoir qu’il en existe deux principales. La première est celle des 2,4 GHz pour la bande ISM (Industrial, Scientific, Medical) qui se situe entre les 2400 à 2483,5 kHz divisés en 14 canaux de 20 Mhz. Si vous faites un rapide calcul vous verrez qu’il y a un hic, les 14 canaux n’ont pas suffisamment de place pour rentrer dans la bande, du coup onze d’entre eux se recouvrent.
Donc seul trois sont sans recouvrement, ce qui amène un certain nombre de limitation. Pour simplifier la chose, sachez que les canaux ouverts ne sont pas les mêmes dans tous les pays.
Autre bande libérée celle des 5 Ghz. C’est la bande UN-II ( Unlicenced National Information Infrastructure) qui se situe entre les 5150 à 5350 Mhz divisées en 8 canaux de 20Mzh, ne calculez pas il n’y a pas de recouvrement dans ces fréquences. Mais attention, la bande haute n’est pas ouverte en France, et la bande moyenne n’est disponible qu’en intérieur. Et aux USA la bande 5725-5825 Mhz s’ajoute au tout, dans ce même pays les puissances autorisées sont plus élevées. Avantage de cette bande, pour l’instant elle est moins saturée.
Une fois que vous savez cela, vous pensez que le reste coule de source, chaque bande possède une solution et le problème est réglé. Eh bien non, à coté de la bataille qui a opposé les bus de terrain il y a une dizaine d’années on pourrait bien assister à quelques choses de similaires avec le sans-fil, mais nous y reviendrons.
Actuellement les solutions émergentes sont résumées dans le tableau ci-joint établi par Jean Pierre Hauet. Autant de solutions, autant de différences, pour les bandes de fréquences nous avons déjà évoqué le sujet, reste des techniques de codage qui divergent (DSSS, FHSS, OFDM), les techniques d’accès au support (CSMA/CA, ALOHA), les aptitudes à s’organiser spontanément en réseau, les consommations énergétiques qui vont de la journée à l’année….
Et ne croyaient pas que ces variations soient insignifiantes, par exemple pour l’accès au réseau, dans Ethernet le protocole CSMA/CD (collision détection) gère les collisions une fois qu’elles ont été détectées. Seulement dans un réseau sans fil, les stations n’ont pas de visibilité sur les stations cachées si elles sont situées en dehors du périmètre de couverture.
Du coup le protocole CSMA/CA (collision avoidance) est fréquemment utiliser pour prévenir les collisions. La station voulant émettre écoute le réseau. Si le réseau est encombré, la transmission est différé. Dans le cas contraire, si le média est libre la station peut émettre. Elle transmet un message Ready To Send, contenant des informations sur le volume des données qu’elle souhaite émettre et sa vitesse de transmission. Le récepteur répond un Clear To Send, puis la station commence à émettre.
Seulement comme le précise Jean Pierre Hauet, si les mécanismes d’accès avec évitement des collisions existent, ils mangent de la bande passante et le débit diminue, sorte de « Frais généraux » à payer.
Choisir la bonne lettre
Le standard 802.11 de base n’a pas d’applications, c’est la lettre qui lui succède qui donne de l’importance à cette norme, et des lettres il y en a pas mal. Pour l’instant on dira que c’est la version b qui l’a emporté sur la a, mais les g, e et i sont en embuscade.
Revenons également sur un point fondamental que les spécialistes des bus de terrain connaissent bien, la norme 802.11 ne défini que les deux premières couches à savoir la couche physique avec trois variantes, Infrarouge, DSSS, FHSS et la couche liaison de données avec 2 Mbits/sec dans la bande ISM des 2,4 Ghz. Les autres couches ne sont pas normalisées.
Le 802.11.b prend le codage DSSS avec un débit qui va de 1 à 11 Mbits/sec selon le type de modulation. Cette version autoadapte son débit selon la quantité de l’environnement radio (murs, interférences, reliefs…). Un avantage mais qui donne un tableau des distances possibles assez controversées. A la base on parle 50 mètres avec une vitesse de 11 Mbits/sec et de 150 mètres avec 1 Mbits/sec, mais le plus souvent les distances sont bien inférieures avec donc une qualité de service incertaine. Autre inconvénient, c’est la consommation d’énergie.
Bref, cette solution que l’on retrouve en bureautique n’est pas véritablement la solution industrielle attendue, même si elle permet de se familiariser avec la technologie et peut répondre à des applications non-critiques.
Pour sa part le 802.11.g commence à s’imposer, il améliore la version b, et les deux peuvent coexister sur un même réseau. Mais il va autoriser des débits plus élevés et un codage bien plus robuste. A l’inverse, il reste tributaire de la bande des 2,4 Ghz et a les mêmes limites en terme de sécurité, mais le .g représente une avancée significative en direction des applications industrielles.
Alors que l’on parle du .b et du .g, le .a revient sur le devant de la scène, il retrouve de l’intérêt de part la saturation des versions précédentes, et il fonctionne dans la bande des 5 Ghz avec notamment des débits théoriques allant de 6 à 54 Mbits/sec. L’un des avantages c’est son utilisation importante aux USA, ce qui lui donne accès à des composants à des prix pas trop élevés.
Ne cherchez pas d’interopérabilité avec les versions .b ou .g, les bandes d’utilisation sont différentes. Mais la combinaison des 5 Ghz et du codage OFDM rend la solution 802.11.a potentiellement attractive pour les applications industrielles.
Des améliorations sont en court. Citons la qualité de service avec la couche MAC actuelle (CSMA/CA) qui n’est pas bonne, la version .e vise à compléter le CSMA/CA pour permettre des transmissions synchrones comme les voix sur IP, ce qui peut être un atout pour les applications de conduite de procédés.
La version .f s’attaquera aux sauts de cellules et la version .i à la sécurité. Pour ce dernier critère les versions .i et .x visent à intégrer dans les trames Internet le protocole d’authentification EAP. Mais si la sécurité des réseaux demeure un critère important, la majorité des applications actuelles n’activent même pas les sécurités existantes, remarque Jean Pierre Hauet.
Grand bleu et consorts
En dehors du 802.11, on trouve Bluetooth qui sur base normalisée a développé des couches supérieures qui lui permettent de gérer l’interopérabilité entre les équipements et de supporter voix et données.
La prose sur Bluetooth est suffisamment abondante pour que n’allions pas trop loin dans les descriptions, sachez que l’un de ses points forts c’est son architecture basée sur les Piconets et les Scatternets. Les Piconets sont des micros réseaux qui se forment spontanément autour d’une station qui prend le rôle de maître. Un Piconet comprend 8 stations au plus, et toutes les communications passent par le maître qui assurent la synchronisation de l’ensemble.
Et lorsqu’une station ne peut s’insérer dans un Piconet existant du fait de sa saturation ou de son éloignement, elle peut négocier avec la station la plus proche la formation d’un Scatternet formé de plusieurs Piconets, non synchronisées entre eux. Ce qui peut s’avérer être un problème sur le plan industriel.
Aujourd’hui Bluetooth a pas mal d’inconvénients comme une saturation de la bande ISM un volume mémoire important et une consommation élevée, de plus aucun profil « industrial Automation » n’est disponible, mais Bluetooth é
volue et il faudra le suivra attentivement notamment pour des applications de communications intra machines et inter machines.
Face à Bluetooth, le consortium Zigbee arrive avec une orientation « Industrial Automation ». Les vitesses peuvent atteindre les 255 kBits/sec sur 30 mètres, son gros avantage c’est sa capacité de passer en sommeil et cela pendant plus de 97% de son temps. Motorola, qui fait partie des promoteurs, cite une étude de comparaison entre les deux technologies qui met en avant le fait que pour une application similaire avec Bluethoooth dans un cas il faut changer les piles tous les mois et pour Zigbee tous les six ans suffisent.
Sur le papier Zigbee est certes intéressant avec ses débits et distances appropriés au monde des automatismes, sa faible consommation est évidemment un « plus », reste que la technologie n’est pas encore mature et qu’il reste à développer les couches supérieures pour permettre un lien avec les Profibus, Fieldbus et compagnies. A suivre.
En dehors de Bluetooth et de Zigbee, on voit dans un autre registre arriver UWB et WiMax, des développements émergeants qui pourrait s’avérer être de vrais sauts technologiques, notamment dans le monde de la communication inter entreprise.
Avec ou sans ?
Voilà pour le tableau. Une fois brossé, on comprend pourquoi les industriels sont frileux, ils attendent de voir qui va l’emporter dans le monde industriel. La bataille des bus de terrain a mis dix ans, celle du sans-fil pourrait bien faire également des victimes. Et que ce soit clair, les industriels ne veulent pas de solutions abracadabrantesques.
A l’inverse les bus de terrain ont également montré que les acheteurs faisaient confiance à leurs fournisseurs de matériels d’automatismes. Mais tant que l’offre n’est pas importante, ils attendent de voir venir.
Bien entendu, ils ont vu les produits de sociétés comme Prosoft, Opto22, Senside… aujourd’hui d’autres arrivent comme Honeywell qui a lancé un programme spécialisé sur le sans fil, ABB avec son capteur présenté à Industrie 2004, c’est également le cas de Siemens qui passe à la vitesse supérieure. Le marché semble mûr et peut démarrer, sans trop de risque.
D’ailleurs Patrick Brassier de Siemens profitait des journées pour rappeler qu’il y avait autant de différence entre le sans-fil industriel et les téléphones portables GSM grand public qu’entre un automate programmable industriel et un PC bureautique.
Il faudra garder à l’esprit que l’interopératibilté et les aspects propriétaires des offres demeure, inutile de penser qu’en prenant un produit sans-fil de la marque A il va savoir communiquer avec celui de B.
Ce problème de couches basses Jean Pierre Hauet le connaît bien, il termine son exposé en posant la question la guerre du Wireless est-elle déclarée ? Et donne sa réponse, « peut-être bien ».
Mais avant de sortir les couteaux encore faut-il se poser la véritable question, à savoir a-t-on besoin d’une liaison sans fil ?
C’est en fait la seule bonne question. Car aucun industriel sensé ne va enlever ses connexions filaires pour les remplacer par du sans fil pour le simple plaisir d’être au top technologique. Combien de personne ont un PC sans fil connecté? Pas beaucoup, voire aucun.
Pour le moment sur le plan industriel seules les cellules peuvent être intéressées par le sans-fil. On retrouve les mêmes contraintes qu’avec Ethernet qui prend de l’ampleur mais reste limité en raison de son manque de déterminisme, pour le sans -fil c’est la même chose.
Dans le cas d’applications critiques, le sans fil posera toujours le problème de la sécurité et notamment du brouillage des informations. De même il va falloir vérifier que les informations sont bien parvenues au poste central.
Economiquement, même pour une application nouvelle, si les machines restent statiques, et que les débits sont importants, le filaire sera moins cher et plus performant. La véritable différence se situe dans le ratio mobilité/temps réel. Car s’il n’y a pas de mobilité entre les composants à faire communiquer, que ce soit une mobilité permanente ou une machine qui change de place fréquemment, le sans-fil n’est pas indispensable surtout qu’il demeure d’un coût plus élevé que le filaire.
Les trois en un
Pour Siemens l’utilisation des réseaux sans-fil dans l’industrie est liée à trois grands critères Fiabilité (temps réel, déterminisme, redondance), Robustesse (mécanique, indices de protection, températures de fonctionnement) et Sécurité (accès contrôlé, protection contre les intrusions, intégrité des informations). Voilà intégrées en trois mots toutes les critiques évoquées précédemment, sachant qu’une solution sans-fil doit être aussi sûre qu’une solution filaire.
Pour le sans fil Siemens se lance dans un nouveau terme le iWLAN, comme il y a le iLAN pour l’Industrial Ethernet, voici le Industrial Wireless.
Partant de ces préceptes, voici les solutions techniques. Siemens ne souhaitait pas faire un choix bloquant, mais au contraire essayer de s’insérer dans les standards disponibles.
La solution retenue paraît la plus sage, à savoir que ce sera la norme 802.11 qui sera utilisée, mais avec des composants qui répondront aux trois variantes les plus adaptées que nous avons vu précédemment, à savoir les .a, .b et .g.
Le choix final sera laissé à l’utilisateur par rapport à son environnement et aux besoins de son application. Pour les débits élevés avec une trentaine de clients ce sera les versions .g ou .a qui pourront être privilégiées….
Pour la robustesse, les points d’accès sont composés d’un boîtier avec un indice de protection IP 65/67, une plage de température qui va de -20° à +70° pour une utilisation intérieure comme extérieure. Le montage pourra se faire soit muralement soit sur un rail Din. L’alimentation en 24 Vdc est redondante de même que les antennes.
Voilà pour le matériel, du classique pour industriel. Reste la fiabilité, dans ce cas la disponibilité du réseau et le déterminisme sont recherchés.
Rappelez-vous, la norme 802.11 utilise la procédure CSMA/CA non déterministe par définition avec un accès au médium basé sur des procédures statistiques, sans détection de collision. Mais dans cette même norme, il y a le mécanisme PCF (Point Coordinated Function) étudiés pour les applications critiques temps réel.
Le point d’accès définit le CP et le CFP avec ses stations associées du coup la communication devient cyclique, un mécanisme maîtrisé avec les bus de terrain.
Le cas de la défaillance d’un point d’accès a également été pris en compte, dans un tel cas, la liaison est automatiquement prise en charge par un autre point d’accès.
Reste la sécurité. Dans ce cas les WLAN combine trois méthodes de protection du réseau qui ont leurs propres limites, à celles-là Siemens rajoute d’autres techniques de cryptage et notamment celle de la 802.11.i ainsi que la méthode d’authentification des équipements définis par la 802.11.x.
