IOT et industrie : Guide du concepteur des systèmes de capteurs industriels IoT

Les capteurs sont fondamentaux pour le contrôle industriel, mais transformer des capteurs en systèmes IIoT peut être un défi majeur
Par Rich Quinnell, éditeur, Projets spéciaux
Les composants clés des systèmes industriels modernes sont les capteurs qui fournissent des données aux contrôleurs, moniteurs et autres technologies opérationnelles exécutant l'usine. La mise en réseau de capteurs est utilisée depuis des années, mais l'avènement d'Internet a élargi à la fois les opportunités et les défis liés à l'utilisation de systèmes de capteurs. Les opportunités et les défis de conception se sont également élargis à mesure que les capteurs font partie de l'Internet industriel des objets (IIoT).
Les capteurs jouent divers rôles dans l'usine moderne. En plus de fournir des données pour le contrôle des processus, ils aident à l'évaluation de la qualité, au suivi des actifs et même à la sécurité des travailleurs. L'avènement de puissants logiciels d'analyse basés sur le cloud et de l'intelligence artificielle a également permis l'utilisation de données de capteurs pour réduire les coûts de production grâce à l'optimisation des processus et à la maintenance prédictive. Et une fois acheminées vers Internet, les données des capteurs peuvent être utilisées pour diverses utilisations, de la gestion des approvisionnements à la coordination mondiale des ressources de production.
Pour répondre à ces nombreux objectifs, il existe une grande variété de types de capteurs disponibles, avec des versions nouvelles et améliorées en continu. L'éclairage, la température, le mouvement, la position, la présence, la vision, la force, le débit et la composition chimique font partie des types de capteurs les plus courants. Pratiquement chaque type de processus ou de condition environnementale possède un type de capteur adapté à sa mesure, disponible auprès de sociétés à large portefeuille telles que TE Connectivity et de fournisseurs spécialisés comme Aceinna.

Il existe une grande variété de types de capteurs utilisés dans l'industrie qui nécessitent une connexion à l'IoT. (Image: Postcapes)
Traditionnellement, les informations fournies par cette multitude de types de capteurs sont restées une ressource locale, confinée à une seule installation voire à une seule machine. L'avènement des options de connectivité étendues à faible coût a toutefois ouvert la porte à l'accès aux données des capteurs de n'importe où dans le monde. Cette accessibilité a débloqué un vaste éventail d'options pour l'utilisation des données et des informations des capteurs. L'un qui a suscité un intérêt immédiat et généralisé est la maintenance prédictive, dans laquelle des ordinateurs distants (quelque part dans le cloud) exécutant de puissants algorithmes analytiques utilisent des données de capteurs pour déterminer l'état de santé des machines en temps quasi réel afin d'identifier les besoins de maintenance urgents avant la défaillance de l'équipement. Mais de nombreuses autres applications sont identifiées pour tirer parti de la capacité de connecter des capteurs industriels individuels à toutes les ressources et parties prenantes du monde.
Malheureusement, il n’est pas particulièrement facile de connecter un capteur à Internet et de faire quelque chose d’utile avec les données, en particulier s’il s’agit de systèmes de capteurs hérités. Les capteurs industriels utilisent une variété de protocoles pour envoyer leurs données à leurs utilisateurs traditionnels. Cependant, Internet nécessite des données au format TCP / IP, il faut donc au moins une conversion de protocole. Un concentrateur ou une passerelle peut être nécessaire pour consolider et concentrer les données, en particulier si de nombreux capteurs ont besoin d'une connectivité. Et les données doivent avoir une destination, ce qui signifie utiliser un service cloud quelconque pour au moins stocker les données pour une récupération ultérieure et, souvent, pour effectuer le traitement des données.
La connexion fonctionne dans les deux sens, bien sûr, de sorte que la connexion du capteur au Web offre une possibilité de configuration et de contrôle à distance. Cela déclenche également un besoin d'assurer la sécurité à la fois des données envoyées et des commandes de contrôle entrantes (voir EE Times: le jour où l'IoT industriel est piraté). L'authentification, l'approvisionnement et la surveillance de l'état d'une multitude de capteurs sont des besoins supplémentaires qui découlent de la connectivité. Ainsi, un capteur industriel IIoT est en fait un ensemble complexe de matériels et de logiciels qui couvre l'écart entre l'appareil en périphérie et les services dans le cloud. La façon dont on procède à la constitution de cette collection varie considérablement selon la situation. Heureusement, il existe également une grande variation dans les produits et services disponibles pour les concepteurs.

L'intégration d'un système de capteurs dans l'IIoT nécessite un écosystème complexe de matériel et de logiciel. (Image: Technologies disruptives)
Pour de nombreux développeurs, les systèmes de capteurs hérités seront les candidats IIoT. Les équipements industriels ont généralement une durée de vie mesurée en décennies, il existe donc une énorme base de capteurs installés qui nécessite une conversion en connectivité Internet. Les développeurs peuvent commencer par ajouter des modules radio intelligents, tels que ceux de Link Labs, qui peuvent exploiter les interfaces de capteurs existantes et fournir la conversion de protocole nécessaire ainsi que la connectivité. Il existe également une variété de réseaux radio parmi lesquels choisir, notamment Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN et cellulaire. Les développeurs qui connectent des systèmes hérités devront ensuite choisir parmi les nombreux fournisseurs de services cloud et fournisseurs de logiciels d'analyse offrant des services industriels.
Pour les nouvelles conceptions de système, plusieurs options sont disponibles. L'un, bien sûr, consiste à utiliser une approche de conception comme celle d'un système hérité, en commençant par le capteur nu. Un contrôleur doit être ajouté pour fournir l'interface du capteur et la sécurité des données, ainsi qu'une radio pour gérer la connectivité réseau. Comme pour l'ancien système, les concepteurs doivent ensuite organiser les services cloud.
Cependant, les développeurs n'ont pas besoin de travailler entièrement à partir de zéro lors de la création d'un nouveau système. Plusieurs approches basées sur des plates-formes ont vu le jour qui simplifient la combinaison du capteur, du contrôleur et des composants radio en permettant un assemblage mixte de composants compatibles. Un exemple est la plate-forme M2.COM développée conjointement par Arm, Advantech, Bosch Sensortec, Sensirion et Texas Instruments. Cette plate-forme utilise un facteur de forme et des interfaces normalisés pour permettre aux développeurs de choisir un capteur conforme et un module sans fil de l'un des nombreux fournisseurs différents, puis de les connecter simplement ensemble, d'installer l'agent logiciel IoT de la plate-forme et de développer leur programme d'application pour créer un capteur. module qui peut ensuite être utilisé avec une variété de plates-formes cloud.

L'assemblage d'un système de capteur IIoT est plus simple lors de l'utilisation de blocs de construction standardisés, comme avec la plate-forme M2.COM. (Image: M2.COM)
Plusieurs de ces plates-formes cloud sont disponibles, spécialement créées pour répondre aux besoins de capteurs industriels de fournisseurs qui ne fabriquent pas les modules de capteurs eux-mêmes. Il s'agit notamment de petites entreprises telles qu'Akoom et Kaa IoT Technologies, d'acteurs plus établis tels que la plate-forme PTC ThingWorx et de géants de l'industrie tels que les logiciels IoT de GE et les plates-formes Mindsphere de Siemens.
Les développeurs peuvent également choisir de renoncer à développer leur propre module de capteur intelligent et choisir de commencer avec un bloc de construction de niveau supérieur. Des capteurs intelligents entièrement intégrés, avec contrôleur intégré et fonctionnalité radio, sont disponibles auprès de sociétés telles que Disruptive Technologies, Episensor et Zenseio. Une approche inhabituelle d'Axzon (anciennement RFMicro) utilise la RFID dans le module de capteur, évitant le besoin de gestion du spectre sans fil, mais nécessitant un balayage actif avec un appareil portable pour récupérer les données et les envoyer sur Internet. Advantech, l'un des fondateurs de M2.COM, propose également des modules de capteurs intelligents complets via sa famille Wzzard, qui comprend à la fois des approches LoRA et réseau maillé.

Un système de capteur IIoT complet, tel que ce membre de la famille Advantech Wzzard, intègre un capteur, un contrôleur et une liaison sans fil dans un boîtier renforcé. (Image: Advantech)
Ce que toutes ces offres de capteurs intelligents intégrés ont cependant en commun, c'est que les fournisseurs ne fournissent pas seulement des capteurs intelligents connectés. Ils proposent également des passerelles et des logiciels pour acheminer en toute sécurité les données jusqu'au cloud sous une forme compatible avec les fournisseurs de services de plateforme cloud. Cela soulage les concepteurs de tous les efforts matériels nécessaires pour établir un système de capteur IIoT si leurs besoins de détection sont satisfaits par l'un des modules disponibles.
L'intégration système nécessaire pour marier même un système de capteurs intelligents avec les nombreux services logiciels nécessaires pour assurer la sécurité et pour gérer et extraire des informations exploitables des systèmes de capteurs IIoT est toujours importante. Pour soulager les concepteurs de ce fardeau, de nombreuses entreprises proposent désormais des packages complets de bout en bout, du capteur à la gestion des appareils cloud et aux services d'analyse. Certaines sont des offres plus petites, comme la famille IoTini I2OT, qui propose principalement des capteurs environnementaux ainsi que des interfaces de capteurs analogiques et numériques universelles. QBurst concentre son capteur sur des applications de surveillance plutôt que de contrôle industriel.
Mais il existe également des acteurs majeurs sur le marché des systèmes de capteurs IIoT edge-through-cloud. Ces entreprises proposent généralement une variété de capteurs et de configurations, souvent avec une prise en charge de la conception personnalisée. ABB, par exemple, propose des systèmes de bout en bout et en boucle fermée via son programme ABB Ability. Bosch-Sensortec propose plusieurs modules de capteurs universels et prend en charge l'approche de développement M2.COM. La division Allen-Bradley de Rockwell Automation propose également des capteurs à usage général ainsi que des capteurs de pression et d'image plus spécialisés, tirant parti de sa technologie radio IO-Link.

Qu'il s'agisse de connecter des systèmes de capteurs hérités à Internet ou de créer de nouveaux systèmes, les concepteurs ont une multitude de choix pour les systèmes de capteurs IIoT. (Image: Versasense)
Boucler la boucle est Versasense. Les nombreuses offres de la société incluent des systèmes complets de capteurs Edge-to-Cloud ainsi que des passerelles et des services cloud. Il propose également des dispositifs qui permettent la connexion à des capteurs hérités, traduisant leurs protocoles pour les amener des réseaux d'usine vers l'IIoT. Ces connexions héritées peuvent ensuite utiliser les services de gestion et d'analyse du cloud qui font partie de la famille Versasense.
Quelle que soit la manière dont cela est fait, la collecte de données et leur transfert dans le cloud, où elles peuvent être transformées en informations et en renseignements exploitables, ont un potentiel énorme pour aider à optimiser et à réduire les coûts des opérations industrielles. Les développeurs doivent choisir l'approche qui correspond le mieux à leurs besoins spécifiques parmi les nombreuses disponibles.
– Richard Quinnell est rédacteur de projets spéciaux chez AspenCore.
Cet article fait partie du projet spécial AspenCore sur les capteurs IoT industriels. Consultez ces autres articles du projet IoT industriel.
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