L'IIoT réinvente le PLC

31st March 2017
Posted By : Alice Matthews
L'IIoT réinvente le PLC

Le contrôleur à logique programmable (PLC), aujourd'hui devenu un pilier de l'automatisation industrielle, est prêt pour des changements majeurs en conjonction avec le passage à l'Internet industriel des objets (IIoT). L'architecture d'origine du PLC était bien adaptée à ses applications mais cette conception atteint ses limites et doit à présent être repensée. L'architecture d'origine du PLC était conçue pour prendre en charge trois facteurs clés : programmabilité, fiabilité et réaction en temps réel. 

La programmabilité inhérente à l'architecture était relativement basique. La norme clé pour définir la façon dont un PLC devait être programmé, CEI 61131, était conçue pour renforcer la fiabilité et le comportement en temps réel du PLC plutôt que la flexibilité du logiciel.

Un élément clé de la conception était la nature autonome du PLC. Le PLC était conçu pour répondre à une E/S locale, utilisant des algorithmes de commande internes pour réagir aux changements et commander le niveau logique ainsi que des sorties analogiques pour commander les actionneurs externes. La norme CEI 61131 gravitait autour de la mise en place d'une configuration logicielle. C'est la totalité du logiciel (programme et données) qui contrôlait le fonctionnement en temps réel du PLC. La configuration était égale au programme et aux données pour un seul PLC. 

Même si les PLC étaient de plus en plus mis en réseau à l'aide de bus de terrain, l'architecture de base de la norme CEI 61131 traitait chaque PLC au sein d'un réseau comme étant logiquement indépendant et ayant sa propre configuration. Au sein de la configuration, les programmes consistaient en blocs de fonction interconnectés, chacun pouvant être écrit dans l'un des langages approuvés CEI. Ces fonctions étaient déclenchées par des tâches. Chaque tâche était configurée pour s'exécuter en continu, en boucle, ou être déclenchée par des entrées ou une horloge, afin de prendre en charge un comportement périodique.

Une telle architecture fournit des résultats prévisibles avec une faible probabilité d'échec mais devient de plus en plus encombrante face aux développements de l'automatisation industrielle, qui requièrent une flexibilité beaucoup plus grande. L'industrie 4.0, ou Internet industriel des objets (IIoT), nécessite une coopération beaucoup plus profonde des systèmes de commande. Les PLC doivent non seulement collaborer entre eux, mais également de façon plus rapprochée avec des systèmes existant en dehors de l'usine elle-même, jusqu'aux serveurs dans le Cloud qui traitent les commandes et requêtes des clients en temps réel.

Il existe une autre tendance, qui consiste en une utilisation plus importante de la commande distribuée au niveau de la machine. Plutôt que d'utiliser un PLC pour commander le fonctionnement d'une machine qui peut intégrer plusieurs actionneurs et manipulateurs robotiques, l'architecture distribue la commande en temps réel vers des sous-systèmes individuels. La capacité de chaque PLC du réseau à réagir aux autres et aux événements générés à l'extérieur, tels que des changements de dernière minutes dans les commandes clients, améliore les temps de réaction et l'efficacité opérationnelle globale.

L'importance croissante de la mise en réseau et de la commande distribuée requiert l'utilisation de processeurs plus puissants dans les PLC compatibles avec l'IIoT. Les exigences clés sont les performances d'exécution, la marge de manœuvre pour prendre en charge des protocoles de sécurité renforcés tels que Transaction-Layer Security (TLS) et une capacité de mémoire suffisante pour traiter les piles de protocoles Internet (IP). Un processeur 32 bits basé sur l'architecture ARM ou une architecture similaire peut fournir la puissance informatique principale du PLC.

L'ajout d'instructions de traitement numérique du signal (DSP) permet l'utilisation d'algorithmes de commande plus avancés, tels que le filtrage Kalman, devenu une pratique courante dans les systèmes motorisés. La transition vers une architecture totalement DSP n'est pas forcément requise : l'ARM Cortex-M4, par exemple, ajoute des instructions orientées DSP à l'architecture ARM à usage général. L'architecture Blackfin de Analog Devices, qui fournit un DSP hautes performances, ajoute à ces fonctions les instructions à usage général associées aux architectures de microcontrôleur.

Pour atteindre de meilleures performances, une approche de plus en plus commune consiste à combiner un cœur de processeur polyvalent pour la mise en réseau avec un autre processeur ajoutant des éléments de traitement numérique des signaux (DSP) pour les tâches de commande en temps réel. Cette architecture laisse un processeur traiter les tâches de supervision, de gestion, de mise en réseau et de traitement à haut niveau tandis qu'un ou plusieurs autres se concentrent sur l'E/S industrielle en temps réel et interrompent le traitement.

Les appareils tels que le Renesas RX600 ajoutent du matériel de traitement de réseau dédié pour soulager le processeur 32 bits des tâches de gestion de paquets. Des technologies réseau telles que EtherCAT prennent en charge la mise en réseau déterministe qui fournit la capacité de prendre en charge des algorithmes de commande distribuée en temps réel. La série de microcontrôleurs XMC400, mise au point par Infineon Technologies, intègre la connectivité EtherCat.

Avec les cœurs redondants, il est possible de mettre en œuvre des degrés de tolérance aux défaillances plus élevés que ceux des architectures PLC traditionnelles. La famille de microcontrôleurs multicœurs AURIX d'Infineon, par exemple, déploie trois cœurs de processeur, dont deux peuvent fonctionner par échelons. Les erreurs aléatoires d'exécution peuvent être détectées sur la base des incohérences entre les résultats. Une fois qu'une erreur est détectée, l'opération peut être répétée et vérifiée ou bien le système peut être soumis à un arrêt de sécurité pour qu'un technicien procède à des vérifications avant tout endommagement d'un produit ou mise en danger de la sécurité d'un opérateur.

Le fonctionnement résilient dépend également de plus en plus de la sécurité des fonctions du PLC en raison de la présence d'une connexion réseau qui s'étend jusque dans le cloud. Les PLC doivent être authentifiés avant d'être autorisés à rejoindre un système de commande distribuée et doivent, en contrepartie, authentifier le réseau lui-même. Toute transaction pouvant affecter le fonctionnement doit être authentifiée et cryptée pour empêcher l'interception et la modification par des pirates. Une exigence clé pour un matériel racine de confiance est d'être intégré dans le matériel de base du PLC. Cela peut être dans le microcontrôleur de base ou accompli à l'aide de cryptoprocesseurs et de périphériques de mémoire sécurisés qui n'autorisent pas le système à effectuer la procédure de démarrage tant qu'ils ne sont pas sûrs que l'image de démarrage n'a pas été compromise et que les dispositifs connectés au PLC sont valides.

Le PSoC 6 de Cypress Semiconductor réunit les concepts de traitement intégré double cœur et de sécurité intégrée. Le microcontrôleur combine un ARM Cortex-M4 pour le traitement de haut niveau avec un M0+ pour une réaction rapide aux événements E/S. Son environnement d'exécution fiable sécurise l'accès au stockage de données locales pour empêcher les pirates d'accéder au micrologiciel sensible.

La tendance vers la commande distribuée s'accompagne d'une miniaturisation continue, bien que cela doive être mis en balance avec la facilité de maintenance et d'installation. On prévoit que les connexions E/S continueront à être basées sur les blocs à borne à vis conventionnels dans beaucoup de cas. La configurabilité des connexions E/S est également vitale. Bien qu'il soit possible de créer une carte de PLC simple qui prenne en charge la configuration la plus courante des ports E/S analogiques et numériques, il semble plus sensé de continuer avec une architecture modulaire E/S. Cela peut être effectué grâce à l'utilisation de cartes-filles E/S qui peuvent être connectées sur un panier pour cartes ou montées directement sur la carte-mère du PLC.

Pour réduire le temps d'arrêt, il est probable que la prise en charge des changements de branchement à chaud deviendra une exigence importante. Le PLC peut interrompre le fonctionnement normal mais conserver la commande d'autres sous-systèmes lorsque le changement de l'une des cartes E/S est exécuté. Cette exigence nécessite une conception de connecteur offrant une insertion facile des cartes-filles conjointement avec une haute densité de broches et un mécanisme de rétention qui assure que les cartes ne peuvent pas être séparées sans l'intervention d'un technicien de maintenance.

Pour empêcher l'endommagement de l'électronique durant les changements, des dispositifs d'interface à branchement à chaud doivent être utilisés. Pour fournir une protection supplémentaire contre les situations de surtension et de surintensité lorsque le système fonctionne (c'est une menace permanente dans un environnement industriel), une isolation doit être mise en place sur les cartes-filles. Bien que les optocoupleurs aient souvent été utilisés à des fins d'isolation, les technologies basées sur les transformateurs et barrières électriques à haute tension similaires permettent une isolation compacte entre les E/S externes et l'électronique de conditionnement de signal et les ADC plus délicates et les fonctions logiques à l'intérieur du PLC principal. Les isolateurs numériques Silicon Lab de série Si8xxx et la technologie iCoupler de Analog Devices sont des exemples d'alternatives fiables et compactes aux optocoupleurs.

La configuration du PLC et de son extension périphérique peut être assurée via des interfaces à grande vitesse telles que USB. Les conceptions commerciales de connecteur ne résistent pas aux rigueurs de l'environnement industriel. Les connecteurs spécialisés, telle la conception USB-C MUSBR de qualité industrielle d'Amphenol, apportent une robustesse supplémentaire grâce à des caractéristiques comme les joints IP67. De même, l'ix de HARTING apporte de la robustesse à une conception de connecteur industriel miniature.

L'alimentation elle-même est un point important, puisque la tendance à la réduction de taille signifie que beaucoup de PLC avancés vont devoir s'appuyer sur la convection et non utiliser des ventilateurs encombrants pour le refroidissement. Les actuels convertisseurs c.c./c.c. à forte intégration offrent un rendement supérieur à 90 %. Grâce au fonctionnement à phases multiples, ils peuvent permettre un tel rendement sur une large gamme de conditions de charge, permettant au PLC de piloter des courants de sortie élevés lorsqu'il est nécessaire de faire fonctionner les machines, mais également de passer rapidement aux modes de repos à économie d'énergie.

Grâce à ces divers changements basés sur des composants et sous-systèmes déjà disponibles, l'architecture PLC peut répondre aux besoins de l'IIoT et apporter à l'automatisation industrielle une résilience, une robustesse et une rentabilité augmentées.


Connectez-vous afin de laisser un commentaire

Laissez un commentaire

Aucun commentaire




Sign up to view our publications

Sign up

Sign up to view our downloads

Sign up

Vietnam International Defense & Security Exhibition 2020
4th March 2020
Vietnam National Convention Center, Hanoi