Internet Industriel des Objets IIOT : Construire l'IoT industriel de la périphérie au cloud

Les E / S distribuées et le contrôle de nouvelle génération ouvrent de nouvelles possibilités pour l'infrastructure connectée
QUEL EST L’OBJECTIF?
Les utilisateurs finaux aimeraient que l'IIoT crée un système cohérent d'appareils et d'applications capables de partager des données de manière transparente entre les machines, les sites et l'entreprise pour aider à optimiser la production et découvrir de nouvelles opportunités de réduction des coûts.
Le partage des données de processus est depuis longtemps un objectif de l'automatisation industrielle, mais les architectures de technologie opérationnelle (OT) traditionnelles sont médiocres en termes d'évolutivité, d'un prix prohibitif et nécessitent une configuration et un support complexes.
Alors, qu'est-ce qui change pour atteindre ce nouvel objectif plus ambitieux?
Tout comme les technologies matérielles et logicielles grand public ont évolué pour améliorer la facilité d'utilisation et la connectivité, les produits et méthodes industriels suivent la même tendance. En adoptant les capacités des technologies de l'information (TI), ils facilitent la connexion des équipements industriels aux réseaux informatiques, aux logiciels et aux services, à la fois sur site et dans le cloud.
Cet article explique comment une architecture globale plus distribuée permet la connectivité du terrain au cloud pour les capteurs et les actionneurs, ainsi que pour les systèmes d'entrée / sortie (E / S) et les contrôleurs qui leur sont liés.
ARCHITECTURE HAUT ET BAS
Les architectures d'automatisation industrielle abordent généralement le traitement des données dans une perspective hiérarchique, comme avec le modèle classique de Purdue. Une bonne caractéristique de cette hiérarchie est la clarté qu'elle fournit quant à l'origine des données, à leur stockage, à leur traitement et à leur livraison.
Cependant, la tâche de transporter des données et de les traiter dans leur contexte est souvent difficile, car de nombreuses couches d'équipement sont nécessaires pour connecter des appareils et des applications.
Par exemple, l'illustration montre une méthode traditionnelle d'acquisition de données de température à partir d'un équipement d'installation et de les déplacer vers un client principal, comme une base de données.
Le niveau le plus bas de l'architecture d'automatisation est constitué des dispositifs physiques résidant sur les équipements de processus et de machines: capteurs, actionneurs de vannes, démarreurs de moteur, etc. Ceux-ci sont connectés aux points d'E / S des automates programmables (API) et des interfaces homme-machine (IHM) du système de contrôle, qui sont tous deux bien adaptés pour le contrôle local mais moins utiles pour les calculs avancés et le traitement des données.
Cependant, en utilisant des protocoles de communication industriels, ces dispositifs de bas niveau peuvent répondre aux demandes de données des systèmes de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA) en amont où elles peuvent être historisées ou mises à la disposition des logiciels d'analyse au niveau de l'entreprise. Cependant, le partage de données au sein de systèmes multifournisseurs nécessite souvent des intergiciels supplémentaires, tels que des pilotes de périphériques OPC, pour traduire les différents protocoles industriels.
Un système d'exécution de fabrication de site (MES) plus avancé et un logiciel global de planification des ressources d'entreprise (ERP) résident également à des niveaux plus élevés de l'architecture hébergée sur des PC ou des serveurs sur site ou dans le cloud où le cloud est défini comme à grande échelle, basé sur Internet, informatique et stockage partagés.
Les informations remontent généralement à des niveaux plus élevés pour être analysées et utilisées pour optimiser les opérations, mais la zone des couches intermédiaires est nécessaire pour interpréter, traduire, filtrer et formater les données brutes produites par des dispositifs et des protocoles de bas niveau.
Étant donné que les appareils de bas niveau manquent généralement de protection contre la cyber-intrusion, une division claire doit également être maintenue entre les systèmes de haut niveau exposés à des réseaux externes et les systèmes de bas niveau.
Les développements de la dernière décennie modifient considérablement cette hiérarchie traditionnelle, l'aplatissant et la simplifiant dans une large mesure.
ÉVOLUTION DES E / S DISTRIBUÉES
Les données de champ peuvent être des points d'E / S bruts connectés au bord ou des valeurs de calcul dérivées. Dans tous les cas, le problème avec les architectures traditionnelles est la quantité de travail nécessaire pour concevoir, connecter physiquement, configurer, mapper numériquement, communiquer et ensuite maintenir ces points de données. L'ajout d'un seul point plus tard peut nécessiter de revoir toutes les étapes.
Pour créer des systèmes distribués plus évolutifs, certains fournisseurs permettent de contourner ces couches entre le monde réel et les systèmes d'analyse intermédiaires ou de haut niveau.
Avec une puissance de calcul suffisante, tous les logiciels nécessaires pour permettre les communications peuvent être intégrés directement dans un périphérique d'E / S. Au lieu de demander à un contrôleur de configurer, d'interroger et de communiquer les données d'E / S à des niveaux supérieurs, les périphériques d'E / S peuvent transmettre des informations par eux-mêmes.
Ce type de traitement des données de périphérie devient également possible en raison de la prolifération des outils IIoT, par exemple:

MQTT avec bougie d'allumage B – une conception de protocole de communication de publication-abonnement sécurisé, léger et open-source pour les communications de machine à machine, avec une charge de données conçue pour les applications industrielles critiques.

OPC UA – Une spécification OPC indépendante de la plate-forme, utile pour la communication de machine à machine avec les périphériques hérités.

Node-RED – Un langage de programmation IoT open source à faible code pour gérer le transfert de données sur de nombreux appareils, protocoles, services WEN et bases de données.

Les E / S distantes intelligentes d'aujourd'hui, également connues sous le nom d'E / S Edge, tirent parti de ces technologies et les combinent avec des protocoles informatiques standard tels que le chiffrement TLS (sécurité de la couche de transport), le VPN (réseau privé virtuel) pour une connexion à distance sécurisée et DHCP (dynamique protocole de configuration d'hôte) pour l'adressage automatique. Plutôt que d'exiger des couches de middleware de prise en charge, les périphériques d'E / S de périphérie sont des participants de premier ordre dans les systèmes distribués.
Un autre obstacle à l'évolutivité des systèmes IIoT basés sur du matériel d'E / S classique est le travail requis pour fournir l'alimentation, les connexions réseau et les bons types de modules d'E / S. Pour résoudre ces problèmes, les fournisseurs tirent parti des nouvelles technologies pour rendre les E / S distribuées plus réalisables et flexibles.
Réseau Power Plus
Un exemple est la capacité Power over Ethernet (PoE), qui utilise un câble réseau Ethernet pour fournir simultanément une alimentation basse tension et une connectivité réseau.
Lorsque PoE est intégré dans un périphérique d'E / S de périphérie, il peut même fournir une alimentation d'E / S, simplifiant la conception du panneau électrique et économisant de l'argent sur les composants et la main-d'œuvre supplémentaires.

LES CONTRÔLEURS DE BORD RASSEMBLENT TOUT
Comme pour le matériel d'E / S traditionnel, les contrôleurs industriels traditionnels ont une portée limitée et nécessitent des systèmes intermédiaires pour connecter les données de processus au reste de l'organisation. Tout comme les E / S de périphérie, les contrôleurs industriels programmables de périphérie (EPIC) modernes exploitent les nouvelles technologies pour assimiler plus de fonctions d'automatisation que les générations précédentes.
Avec des composants industriellement renforcés, des options de mise en réseau sécurisées, une programmation multilingue et un traitement multicœur, les contrôleurs de périphérie peuvent fournir un contrôle d'E / S traditionnel en temps réel tout en hébergeant des communications, une visualisation et même des serveurs de base de données.
Dans le cas des applications IIoT, les contrôleurs de périphérie peuvent utiliser cette flexibilité pour communiquer avec un éventail de producteurs de données, transformer leurs données de manière significative et les fournir en toute sécurité aux consommateurs de données.
Les contrôleurs de périphérie comme groove epic d'Opto 22 combinent la détection et le contrôle des E / S traditionnelles, des protocoles de bus de terrain d'appareils intelligents et des E / S de périphérie modernes. Ils peuvent également héberger des serveurs OPC UA tels que Ignition Edge for Inductive Automation pour communiquer avec une variété de dispositifs en réseau, ce qui les rend particulièrement efficaces pour relier des réseaux d'automatisation disparates.
Ensuite, grâce à la prise en charge des interfaces MQTT et REST compatibles IT et à une variété d'options de mise en réseau, les EPIC peuvent connecter en toute sécurité les réseaux OT aux systèmes informatiques tout en réduisant la couche de middleware requise pour ce faire.
La combinaison d'E / S de périphérie et de contrôle de périphérie conduit à une nouvelle architecture de données distribuées.
NOUVELLES OPTIONS D'ARCHITECTURE
Alors, quelles sont les nouvelles possibilités architecturales disponibles pour les concepteurs d'automatisation industrielle utilisant des E / S de périphérie et des contrôleurs de périphérie modernes?
Avec des périphériques de périphérie mettant les données locales à la disposition des ressources informatiques à la périphérie et aux niveaux organisationnels supérieurs, la hiérarchie locale peut être aplatie même lorsque la répartition géographique est étendue.
Vous pouvez voir ici quelques exemples de nouvelles architectures d'information qui deviennent possibles pour une utilisation dans des endroits tels que les installations d'équipements à distance, les installations commerciales, les campus, les laboratoires et les usines industrielles.
Infrastructure partagée avec traitement des données de périphérie.
Lorsque les signaux de terrain sont répartis sur une vaste zone géographique de plusieurs sites, les périphériques de périphérie peuvent faciliter la transmission de données vers des applications et des bases de données en réseau, améliorant l'efficacité et la sécurité de l'infrastructure locale ou remplaçant les intergiciels nécessitant une maintenance élevée tels que les PC Windows.
Par exemple, la zone 1 de l'image montre les E / S de bord (groov RIO) placées sur plusieurs sites distants avec un contrôleur de bord (groov EPIC) sur un autre site intégrant les données des automates existants. Deux des modules d'E / S de périphérie recherchent, traitent et communiquent les données de terrain directement dans une base de données d'entreprise centrale, à l'aide de Node-Red. L'EPIC et d'autres E / S de périphérie échangent des données pour un contrôle local tout en transmettant également des données à un SCADA central via MQTT. Le traitement des données est réparti sur tout le réseau de périphérie, ce qui permet aux systèmes centraux d'ingérer les données plus efficacement.
La combinaison de matériel et de logiciels intelligents comble le fossé entre les systèmes OT et IT, créant un réseau de données unifié qui est évolutif et géré de manière centralisée.
Intégration d'appareils hérités avec le contrôleur de périphérie en tant que passerelle IoT.
Les E / S de périphérie peuvent former une structure de traitement de données de base pour les E / S des équipements existants dans les sites contaminés et fonctionner en combinaison avec des contrôleurs de périphérie et des passerelles plus puissants utilisant OPC UA pour intégrer les données des RTU, API et PAC hérités. Cette approche améliore la sécurité et la connectivité sans interférer avec les systèmes de contrôle existants.
L'exemple de la zone 2 illustre ce modèle. Un contrôleur de périphérie agit comme une passerelle sécurisée pour les appareils hérités, leur permettant d'interagir avec les plates-formes IoT hébergées dans le cloud, les clients SCADA ou MQTT tout en les protégeant contre les accès non autorisés à partir de réseaux externes. Dans le même temps, les E / S de bord sont utilisées pour intégrer les équipements de l'installation (pompes, soufflantes, capteurs de température) et les nouveaux skids d'équipement dans le même réseau. Groov Epic peut contrôler les modules RIO de grove, agréger et mettre en mémoire tampon leurs données dans une base de données intégrée ou simplement transmettre des données à des systèmes externes.
Réseau d'E / S Direct-to-Cloud
Les ingénieurs peuvent également concevoir des réseaux de traitement de données simples et plats en utilisant uniquement des périphériques d'E / S de périphérie (sans contrôleurs ni passerelles), en les étendant au besoin pour surveiller des signaux de terrain supplémentaires. Un système d'E / S distribué comme celui-ci peut traiter et rapporter les données directement aux systèmes de supervision basés sur le cloud, aux bases de données de maintenance prédictive ou aux courtiers MQTT.
Dans notre exemple, la zone 3 de l'image montre deux modules groov Rio rapportant les données de son usine directement vers le cloud, via Node-RED ou MQTT. Aucun matériel de contrôle intermédiaire n'est nécessaire car chaque module fournit des paramètres de pare-feu et de chiffrement de données configurables ainsi qu'un moteur de traitement de données pour combiner, filtrer et formater les données. Étant donné que chaque module d'E / S de périphérie est indépendant, le réseau peut croître de manière incrémentielle, ce qui réduit les dépenses d'investissement nécessaires pour intégrer de nouveaux équipements.
Infrastructure MQTT plusieurs-à-plusieurs
Les appareils de périphérie avec des clients MQTT intégrés peuvent publier des données de terrain directement sur un courtier / serveur MQTT partagé ou un groupe de serveurs MQTT redondant situé partout où le réseau atteint: sur site, dans le cloud ou dans le cadre de ressources régionales de fog computing. Le courtier peut ensuite gérer les abonnés à ces données – n'importe quel nombre de clients réseau intéressés dans toute l'organisation, y compris les systèmes de contrôle, les services Web et autres périphériques périphériques.
La zone 4 de l'image montre cette architecture. Groov RIO et groov EPIC ont tous deux des clients MQTT intégrés permettant à toutes les autres architectures d'être combinées dans un réseau de partage de données efficace. Deux des modules d'E / S de périphérie de cet exemple publient sur un groupe de serveurs régional. Les deux autres communiquent avec un contrôleur de périphérie sur un autre site qui utilise les modules de périphérie comme E / S distribuées et publie leurs données sur le réseau MQTT. Une fois les données publiées sur le courtier, les appareils et les services qui en ont besoin peuvent s'y abonner où qu'ils se trouvent sur le réseau.
UNE CONNECTIVITÉ SANS COUTURE EST POSSIBLE
La connectivité transparente est désormais une réalité, grâce à des technologies qui permettent un échange de données omniprésent. Le nouveau matériel et les produits logiciels Opto 22 permettent l'interconnectivité entre les sites physiques sur le terrain, dans la salle de contrôle locale, dans le front office, dans toutes les régions géographiques et jusqu'aux centres de données mondiaux.
Les E / S de périphérie distribuées, les contrôleurs de périphérie et les technologies de réseau associées prennent en charge le transfert de données via les parties Edge, Fog et Cloud d'une architecture industrielle. Grâce à cette approche, vous pouvez effacer les anciennes frontières entre les domaines IT et OT et obtenir les données dont vous avez besoin pour optimiser les opérations. – données fournies par systemdevices.co.uk

Craig Upton Craig Upton aide les propriétaires d'entreprises britanniques à augmenter la croissance de leurs ventes en utilisant diverses sources de revenus en ligne. Créant des partenariats stratégiques et une attention particulière portée aux détails, Craig dote les sites Web des bons outils pour augmenter le trafic et les conversions. Craig est le propriétaire d'iCONQUER.com, une société basée au Royaume-Uni et travaille dans le domaine du marketing numérique depuis 1999. Entrepreneur de confiance, consultant en référencement et formateur, Craig a travaillé avec des marques britanniques populaires et des PME se font connaître en ligne. Faire connaître son visage, Craig s'engage à créer de nouvelles opportunités en travaillant avec des entreprises britanniques – craig@iconquer.com

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