Comment concevoir un réseau superposé modulaire pour l'optimisation du traitement des données de l'industrie 4.0 dans l'IIoT

L'optimisation du traitement des données dans l'industrie 4.0 et les systèmes de l'Internet industriel des objets (IIoT) en vue de soutenir une production au plus juste, peut être obtenue au moyen de la surveillance de l'état, de la maintenance prédictive, de l'analyse et du suivi de l'efficacité globale de l'équipement (OEE), des diagnostics et du dépannage. Dans de nombreux cas, le problème est que les équipements existants n'ont pas été conçus pour être connectés ou qu'ils utilisent différents protocoles de communication, ce qui rend leur remplacement coûteux. Pour garantir une efficacité maximale et obtenir des données exploitables sur les machines, il est plus simple et plus rentable dans de nombreux cas de mettre en œuvre un réseau superposé qui peut connecter les îlots d'automatisation et les équipements existants.

La conception d'un tel réseau superposé est une entreprise difficile. Il faut un contrôleur capable de recevoir des signaux de capteurs et d'autres dispositifs qui utilisent divers protocoles de communication, de combiner ces signaux en un flux unifié de données exploitables et d'exporter ces données vers des ressources informatiques en périphérie ou vers le cloud. Le système a besoin d'adaptateurs qui peuvent se connecter directement aux capteurs, aux indicateurs et à d'autres dispositifs. Des convertisseurs sont nécessaires pour connecter des types de dispositifs auparavant incompatibles, y compris les anciens équipements.

En outre, pour garantir un fonctionnement fiable, des filtres sont nécessaires pour protéger les communications de données du bruit électrique et des tensions transitoires. Tous ces composants doivent répondre aux normes environnementales IP65, IP67 et IP68 pour un fonctionnement en milieu industriel, et la solution doit être facile et rentable à mettre en œuvre.

Cet article aborde brièvement les problèmes de connexion des équipements existants à l'IIoT. Il présente ensuite l'architecture de la famille d'outils matériels et logiciels Snap Signal de Banner Engineering et la manière dont elle relève ces défis. Il donne également des exemples de dispositifs Snap Signal, notamment le contrôleur DXMR90, les convertisseurs, les adaptateurs et les filtres associés, ainsi que des éléments à prendre en compte lors de la mise en œuvre de l'informatique en périphérie filaire et sans fil ou de la connectivité du cloud.

Connecter les équipements existants à l'IIoT

De nombreuses usines sont antérieures à l'apparition de l'IIoT et de l'industrie 4.0, et il n'est souvent pas possible d'interconnecter tous les équipements et machines dans un seul réseau, ce qui se traduit par des îlots d'automatisation. Même s'ils ne sont pas isolés sur un « îlot », les équipements existants peuvent être difficiles à interconnecter en raison de leur manque de souplesse dû à l'utilisation de protocoles de communication propriétaires, de connecteurs et de câblages non standard, et d'autres facteurs.

Un réseau superposé IIoT Snap Signal peut fournir un moyen rapide, flexible et rentable de connecter les îlots d'automatisation et les équipements existants en capturant et en convertissant divers protocoles de communication de données non compatibles en une norme facile à distribuer, capable d'être transmise aux ressources informatiques en périphérie ou vers le cloud pour analyse et action (Figure 1).

Figure 1 : Un réseau superposé Snap Signal fournit une architecture modulaire permettant de connecter les îlots d'automatisation et les équipements existants aux ressources informatiques en périphérie ou vers le cloud. (Source de l'image : Banner Engineering)

Plusieurs éléments clés sont nécessaires pour déployer des réseaux superposés IIoT flexibles et fiables :

• Adaptateurs permettant de réacheminer le câblage et de relier les différents schémas de câblage des capteurs, indicateurs et autres dispositifs selon un format standard utilisé dans le réseau superposé.
• Convertisseurs de données pour convertir les formats incompatibles, tels que les formats discrets, analogiques et divers formats numériques que l'on trouve sur les îlots d'automatisation ou les équipements existants, en protocoles standard tels que IO-Link ou Modbus afin de permettre une surveillance centralisée des performances.
• Filtres pour protéger les données de l'altération dans les environnements industriels électriquement bruyants, ce qui améliore l'intégrité et la fiabilité des signaux et réduit les besoins de dépannage.
• Contrôleur programmable pour consolider les données provenant de plusieurs sources et fournir un traitement local de ces données, ainsi qu'une connectivité permettant d'intégrer les îlots d'automatisation et les équipements existants dans l'IIoT.
• Connexion filaire ou sans fil pour distribuer les données collectées aux ressources informatiques en périphérie et/ou vers le cloud, comme le service CDS (Cloud Data Service) de Banner, qui permet de visualiser les données et d'obtenir des informations sur les performances des machines et d'envoyer des alertes par e-mail ou par SMS afin de faciliter le fonctionnement, la maintenance et les réparations des machines en temps réel (Figure 2).

Figure 2 : Les données consolidées peuvent être transmises avec une connexion filaire ou sans fil à des ressources informatiques en périphérie ou vers le cloud, comme le service CDS de Banner (capture d'écran ci-dessus). (Source de l'image : Banner Engineering)

Contrôleur pour consolider les différents flux de données

Le contrôleur programmable et les convertisseurs de données sont des éléments clés dans la conception d'un réseau superposé. Le contrôleur industriel DXMR90 de Banner sert de concentrateur de communication central qui combine les signaux de plusieurs ports Modbus en un flux de données unifié qui est transmis à l'aide de protocoles Ethernet industriels. Par exemple, le modèle DXMR90-X1 comprend quatre maîtres Modbus et prend en charge la communication simultanée avec un maximum de quatre réseaux série (Figure 3).

Figure 3 : Les ports du DXMR90 comprennent un port Modbus 0 configurable (sur le côté gauche), des ports maîtres Modbus (1 à 4 en bas), un port Modbus 0/PW configurable pour RS-485 et une alimentation entrante (en haut à droite), ainsi qu'un port Ethernet à codage D (en bas à droite). (Source de l'image : Banner Engineering)

Le DXMR90 est un contrôleur de communications hautement intégré qui présente les caractéristiques suivantes :

• Capacité de fonctionner avec une gamme de dispositifs Modbus, en convertissant Modbus RTU en Modbus TCP/IP, Ethernet I/P ou Profinet.
• Quatre ports maîtres Modbus indépendants qui permettent de connecter des dispositifs esclaves sans avoir à attribuer manuellement une adresse à ces dispositifs.
• Contrôle local et connectivité avec :
  • Protocoles d'automatisation, Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP et Profinet
  • Protocoles Internet, y compris les API RESTful et MQTT avec services Web d'AWS, entre autres
  • Alertes directes par e-mail
• Contrôleur logique interne avec des règles d'action prédéfinies, qui est également programmable à l'aide de MicroPython ou ScriptBasic.
• Boîtier conforme aux normes IP65, IP67 et IP68, pour simplifier le déploiement dans les environnements industriels.
• Indications rapides de l'état du dispositif grâce à des LED programmables par l'utilisateur.
• Câble Ethernet ou contrôleur DXM compatible avec la téléphonie mobile, pouvant être utilisé pour la connexion à des bases de données telles que le service CDS de Banner.

Les convertisseurs connectent les dispositifs dans les réseaux IIoT

Une conversion efficace des données est nécessaire pour intégrer les îlots d'automatisation et les équipements existants dans un réseau superposé. À cette fin, les concepteurs peuvent utiliser les petits convertisseurs en ligne enfichables série S15C de Banner pour convertir les données de la surveillance d'état et des capteurs de processus de divers formats en données numériques IO-Link (Figure 4). Par exemple, le S15C-MGN-KQ est un convertisseur maître Modbus en dispositif IO-Link qui est configurable par l'utilisateur afin de lire jusqu'à 60 registres et d'en écrire jusqu'à 15, avec des registres Modbus prédéfinis envoyés automatiquement via IO-Link.

Figure 4 : Les convertisseurs de données en ligne série S15C peuvent convertir divers types de signaux, notamment discrets, analogiques et autres, en protocoles industriels tels que Modbus, IO-Link, PWM et PFM. (Source de l'image : Banner Engineering)

Les convertisseurs S15C mesurent 15 millimètres (mm) de diamètre avec un boîtier surmoulé IP68 et une connectivité M12, et ils utilisent la même alimentation que le dispositif connecté. Avec l'utilisation des convertisseurs S15C, la contrainte des 20 mètres (m) de la ligne de communication IO-Link n'est plus de mise, puisque ces dispositifs peuvent être installés à l'extrémité d'une liaison Modbus, près du maître IO-Link.

La gamme de convertisseurs S15C comprend huit modèles :

• Six convertisseurs Modbus vers IO-Link à utiliser avec la gamme de capteurs Modbus de Banner : ultrasons, rideaux lumineux de mesure, température/humidité, vibrations/température et GPS. De plus, il existe un convertisseur générique qui peut être configuré pour permettre à la plupart des dispositifs Modbus d'être déployés en tant que dispositifs IO-Link.
• Deux modèles de capteurs analogiques qui convertissent les signaux de 0 à 10 volts CC ou de 4 à 20 milliampères (mA) en valeurs numériques et les transmettent sous forme de données IO-Link.

Des adaptateurs de câblage et des filtres complètent le réseau

En plus d'un contrôleur et de convertisseurs de données, les concepteurs ont besoin d'adaptateurs de câblage et de filtres antiparasites pour déployer rapidement des réseaux superposés flexibles et rentables. Les adaptateurs de câblage en ligne, comme le S15A-F14325-M14325-Q de Banner, se connectent directement à un capteur, un indicateur ou un autre dispositif afin de réacheminer le câblage et isoler les signaux selon les besoins de l'application (Figure 5). Ces adaptateurs de câblage sont disponibles en configuration standard ou personnalisée.

Figure 5 : Les adaptateurs S15A, tels que le S15A-F14325-M14325-Q, utilisent une connexion M12 pour une installation facile et peuvent réacheminer le câblage selon les besoins pour répondre aux exigences d'une application spécifique. (Source de l'image : Banner Engineering)

Les filtres en ligne S15F comme le S15F-L-4000-Q sont également des éléments importants d'un réseau superposé (Figure 6). Ils permettent de résoudre facilement les problèmes de bruit électrique et de tensions transitoires qui peuvent nuire aux performances du réseau. À l'instar des adaptateurs S15A et des convertisseurs S15C, ces filtres disposent de connexions M12 et présentent une configuration surmoulée qui répond aux normes IP65, IP67 et IP68. L'installation d'un filtre en ligne S15F peut améliorer l'intégrité du signal et réduire le besoin de dépannage du réseau.

Figure 6 : Les filtres en ligne S15F, tels que le S15F-L-4000-Q, peuvent être facilement utilisés pour protéger les dispositifs contre le bruit électrique et les tensions transitoires, et leur connexion M12 permet une installation facile là où cela est nécessaire dans le réseau. (Source de l'image : Banner Engineering)

Conception et déploiement du réseau Snap Signal

La conception et le déploiement d'un réseau superposé Snap Signal commencent par l'identification des sources de données à surveiller. Il faut ensuite déterminer si de nouveaux capteurs ou indicateurs doivent être ajoutés afin de compléter les dispositifs existants. Les étapes de la conception d'un réseau Snap Signal sont les suivantes :

• Utiliser l'approche du schéma de système de Banner pour identifier et sélectionner les composants Snap Signal nécessaires à une installation spécifique.
• Planifier le chemin de câblage optimal, y compris l'emplacement des connecteurs en T et des filtres entre les dispositifs à surveiller et le contrôleur DXMR90.
• Déterminer si l'installation nécessite l'utilisation d'une connexion Ethernet filaire pour la consommation locale de données ou l'utilisation d'un dispositif de passerelle périphérique pour la connexion sans fil à une plateforme du cloud.

Snap Signal est un véritable réseau superposé et ne nécessite le remplacement d'aucun matériel existant. L'architecture modulaire plug-and-play de Snap Signal facilite l'installation :

• Installation de tous les nouveaux capteurs ou autres dispositifs et ajout de câbles répartiteurs à chaque dispositif à surveiller afin de maintenir la connexion existante avec les commandes des machines, tout en fournissant une deuxième voie vers le réseau superposé.
• Installation des convertisseurs de signaux en ligne appropriés.
• Ajout des connecteurs en T, des filtres et d'autres câblages réseau si nécessaire pour compléter le réseau et le connecter au contrôleur DXMR90.
• Programmation du DXMR90 pour créer des séquences de détection et de contrôle personnalisées en utilisant la programmation ScriptBasic ou MicroPython et/ou les règles d'action intégrées.
• Connexion du DXMR90 aux ressources informatiques en périphérie à l'aide de la connexion Ethernet ou, pour les connexions au cloud, d'un contrôleur DXM compatible avec la téléphonie mobile.

Conclusion

Les réseaux IIoT superposés peuvent répondre aux besoins des concepteurs en matière de connexion des îlots d'automatisation et des équipements existants aux réseaux industriels, ce qui permet de collecter des données exploitables pour accroître la productivité des usines déjà établies. La conception et la mise en œuvre d'un tel réseau superposé sont complexes, mais comme démontré, elles peuvent être grandement simplifiées grâce à la topologie et à la gamme Snap Signal de Banner Engineering. Cette gamme comprend le contrôleur industriel DXMR90, des convertisseurs de données, des adaptateurs de câblage, des filtres et d'autres éléments nécessaires à la mise en œuvre d'un réseau superposé IIoT et à sa distribution vers des ressources informatiques en périphérie ou vers le cloud. La conception programmable, modulaire et flexible de l'architecture du réseau Snap Signal permet l'ajout de nouveaux dispositifs et pérennise l'installation.

Lecture recommandée

1. Principes de base de la sécurité IoT – Partie 5 : se connecter en toute sécurité aux services cloud IoT