Projets IIoT fleurissent grâce aux progrès en matière de détection

12th January 2017
Posted By : Alice Matthews
Projets IIoT fleurissent grâce aux progrès en matière de détection

L'IIoT (Industrial Internet of Things, ou Internet des objets industriel) promet un bond en avant en efficacité, et un pas de plus vers l’autonomie des automates industriels et d'autres secteurs, comme la sécurité, la surveillance ou la gestion de bâtiments. La perspective d’usines et de processus industriels auto-supervisés et auto-gérés n’est désormais plus du domaine du rêve. 

Auteur : Wiren Perera, Directeur Senior Stratégie IoT, ON Semiconductor

La possibilité d'identifier, de surveiller et de commander tous les dispositifs d’un ensemble de processus de fabrication, moyennant très peu, voire aucune intervention humaine, offre des opportunités inenvisageables il y a encore une dizaine d’années. Même aux yeux des ingénieurs travaillant à la pointe de la technologie de production industrielle. L’IIoT fournira tout son potentiel lorsque les technologies de détection, de calcul et de commande, seront capables d’interagir et de communiquer, au sein de dispositifs robustes à haut rendement énergétique.

Une bonne conception et une bonne gestion IIoT peuvent apporter des rendements optimisés en continu, une baisse des coûts d'exploitation, et aboutir à des processus plus résilients et auto-adaptables. Au centre de tout cela se trouvent un certain nombre de technologies de semiconducteurs, déjà disponibles ou en cours de développement chez certains des plus grands fabricants de composants au monde.

Les principaux moteurs de l'IIoT sont : un plus grand nombre de mesures sur un plus grand nombre de paramètres, une analyse rapide et complète des données, une réaction rapide à ces données, et une optimisation plus rapide des processus. Les capteurs sont au cœur de l'IIoT, et recueillent de plus en plus de données. Mais pour obtenir plus de mesures, il faut plus de capteurs ; plus de paramètres, plus de précision, et tout cela à une fréquence plus élevée. L’apport de logiciels sur des technologies existantes bien établies peut apporter des gains incrémentaux, mais pour réaliser des progrès décisifs, nous devons gérer avec précision plus de paramètres. Chaque paramètre supplémentaire est susceptible de rendre le système plus intelligent.

La technologie des capteurs capables de mesurer les paramètres traditionnels comme la température, la lumière, la position, le niveau, l’humidité ou la pression, continue de progresser. Mais même s’ils se miniaturisent, si leurs prix baissent et s’ils sont plus souvent embarqués, ces capteurs restent dédiés, et sont par conséquent limités en fonctionnalités et en souplesse. La détection à base de vision introduit un nouveau paradigme. Tout comme le proverbe qui affirme « qu’un dessin vaut mieux qu’un long discours », une fois qu'une machine est capable de « voir », beaucoup de choses deviennent possibles dans un temps beaucoup plus court.

Grâce à la vision, la programmabilité apporte la souplesse ; en permettant notamment à un même système de détecter des éléments manquants ou mal positionnés, ainsi que bien d'autres variables du processus. La tendance vers la détection par vision, que celle-ci s’appuie sur des images fixes ou sur de la vidéo, permettra de rendre les futurs systèmes plus intelligents, plus souples, et au bout du compte plus performants.

Grâce aux progrès récents, la vision artificielle est d’ores et déjà capable de dépasser les performances de l’œil humain. Associée à la réduction des risques liés aux erreurs humaines, la vision artificielle permet d’atteindre un nouveau degré d'adaptabilité et de rapidité pour certains processus de production reconfigurables. Cela peut aller de la simple optimisation basée sur la détection d’événements en temps réel, jusqu’à la reconfiguration d'un système, pour permettre la production de plusieurs produits différents sur une même ligne. Il suffit alors seulement de passer d'un programme de commande à un autre, pour que le système soit prêt à fonctionner. Cela offre des avantages évidents au niveau coût, temps et main d’œuvre, tout en réduisant les risques d'erreur.

Dans tous les cas, les données sont la clé de la révolution IIoT. Les capteurs recueillent les données, puis le traitement et l'analyse de ces données produisent des informations précieuses, tout en permettant de commander nos usines et nos processus.

Le traitement de flux de données importants et soutenus, associé à la détection temps-réel dont l'IIoT a besoin, s’appuie sur le cloud. Cette analyse des données nécessite des plateformes capables de stocker de gros volumes de données sur des ressources distribuées, qui doivent souvent combiner et traiter des données provenant de plusieurs sources dispersées géographiquement.

Parmi les nombreux avantages qu’apporte le cloud, il y a l'élimination des obstacles au sein des organisations mondiales. Par exemple, un problème dans une usine intelligente chinoise peut déclencher quasi-instantanément une amélioration de processus dans une autre usine semblable, située ailleurs dans le monde.

Les progrès en termes de communications protégées et d'authentification, permettent à des appareils mobiles de se connecter aux réseaux, et ainsi d’avoir instantanément accès à l’information. Un accès souple permet d’apporter de la valeur à l’activité et à ses relations avec le monde extérieur. En pratique, cette intégration de l’IT (informatique) et de l’OT (Operational Technology, ou technologie opérationnelle) illustrée en Figure 1, est potentiellement très intéressante pour de nombreuses applications d’automatisation industrielle.

Figure 1 : Intégration IT/OT

L’un des défis majeurs de l'IIoT est la réduction de sa consommation d’énergie propre. La nature distribuée de l'IIoT et le besoin de disposer de plusieurs capteurs aux différents points de mesure, rend son alimentaion en énergie très difficile.

Les capteurs performants, particulièrement ceux utilisés dans les projets IIoT, doivent posséder quatre attributs fondamentaux. Ils doivent être auto-alimentés, être capables de collecter des données, de diffuser largement leur état, et de se connecter. Des capteurs sans-fil dotés d’une capacité de récupération d'énergie, qui les rend auto-alimentés, sont indispensables au développement de l'IIoT et à l’éclosion de son potentiel. La famille de capteurs sans-fil à récupération d’énergie, Smart Passive Sensor d'ON Semiconductor, présentée en Figure 2, est un bon exemple de technologie répondant aux besoins et aux tendances qui voient le jour dans l'IIoT. Ces dispositifs économiques et ultra-fins, peuvent servir de capteurs dans les endroits les plus difficiles d’accès, qui ne disposent pas de source d'énergie directe.

Figure 2 : Capteur sans-fil à récupération d’énergie

La récupération d’énergie permet à tous les capteurs de fonctionner de manière autonome.

De nombreux systèmes de commande industrielle sont très sophistiqués, et nécessitent un positionnement précis et souvent rapide. Il peut aussi bien s’agir de régler la vitesse ou le sens de rotation d'un ventilateur de refroidissement, que de piloter un moteur ou un servo pour régler une vanne, ou un moteur pas-à-pas servant au positionnement linéaire ou angulaire pour une tâche précise.

Parallèlement au développement rapide des capteurs pour l'IIoT, les actionneurs et les contrôleurs qui doivent réagir physiquement aux données recueillies et analysées, connaissent des évolutions similaires. Les commandes moteur à composants discrets laissent la place à des modules de puissance intégrés, à la fois plus petits et plus faciles à mettre en oeuvre.

Combinaison de détection, de connectivité et d’actionneurs
Les processus de fabrication intégrés nécessitent de combiner plusieurs technologies de détection, de la connectivité et des actionneurs, ce qui représente des défis en matière de conception et d'expertise. Des plateformes de développement matériel et logiciel toutes intégrées sont indispensables, pour faciliter et accélérer la mise au point de fonctions spécifiques devant équiper certains produits finis. Leur modularité permet à ces plateformes de gérer de nouvelles fonctions ou de nouveaux dispositifs IoT/IIoT issus de nouvelles avancées, permettant ainsi une adoption plus rapide. Le support open-source est également important, dans la mesure où un large écosystème et une bonne interopérabilité sont indispensables au succès de l'IoT.

La détection par vision est un bon exemple. D'un point de vue matériel, cela nécessite la mise en oeuvre d’une capacité de traitement vidéo, ainsi que d’un logiciel de traitement d'images pour interpréter le flux de données. Pour accélérer les cycles de conception dans ce domaine, ON Semiconductor propose des outils somme son kit VDK (Video Development Kit, ou kit de développement vidéo) MatrixCam. Parallèlement, le kit de développement IoT récemment présenté pour les capteurs sans-fil à moisson d’énergie (voir Figure 3), permet d’envoyer les données du capteur vers le cloud, pour le développement d'applications.

Figure 3 : Kit de développement IoT pour capteurs Smart Passive Sensors

Les capteurs, les processeurs de données et les actionneurs, font tous partie des blocs importants d'une application IIoT. Cependant, sans pouvoir communiquer, partager des données, transmettre, recevoir et exécuter des instructions, l'IIoT ne peut pas fonctionner.

Etant donné les besoins uniques de l'IIoT, toutes les normes et protocoles ne peuvent convenir. Les technologies adaptées au réseau PAN (Personal Area Network, ou réseau personnel) d’un smartphone ont peu de chances de succès par exemple. Au lieu de cela, il est important que les plateformes IIoT démontrent leur souplesse en supportant un large éventail de normes, comme Thread, SIGFOX, EnOcean, M-BUS, KNX, ZigBee, sans compter certains protocoles propriétaires. L'adoption d'une approche SDR (Software Defined Radio, ou radio définie par logiciel) permet à une même plateforme de supporter plusieurs protocoles. ZigBee et Thread sont complémentaires, et le rapprochement des organisations industrielles présentes derrière ces protocoles, devrait également favoriser leur adoption pour les applications domotiques.

Thread est un protocole réseau à base IP (IPv6), s’appuyant sur des normes ouvertes pour réseaux maillés 802.15.4 basse-consommation, qui permet de connecter facilement et de manière sécurisée, des centaines de dispositifs entre eux et directement au cloud. La sécurité et l'interopérabilité sont deux des principaux atouts de Thread.

A l’inverse, SIGFOX permet de construire des réseaux WAN (Wide Area Network, ou réseau étendu) permettant des transmissions à faible bande passante entre des objets intelligents ou des capteurs fixes ou mobiles, dispersés sur une zone très large. Les exemples d’applications de ce protocole sont notamment le suivi de containers ou de véhicules dans tout un pays, ou la communication avec des biens éloignés géographiquement, comme les équipements de ville intelligente, ou encore les pompes et des pipelines.


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