IOT et industrie : SCADA: bien vivant à l'ère de l'IoT

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Lorsque la plupart des gens pensent à l'Internet des objets (IoT), c'est la domotique qui leur vient à l'esprit. Mais en termes de complexité, la domotique est un réseau simple comparé aux applications dans les villes «intelligentes», aux immenses installations de fabrication, et éventuellement à connecter tout le nécessaire pour permettre l'autonomie des véhicules.

Cependant, l'IoT peut avoir certains de ses plus grands impacts sur le marché des services publics et d'autres considérés comme critiques. Ils utilisent des systèmes de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA) depuis des décennies pour surveiller et contrôler les actifs les plus vastes des secteurs industriels, gouvernementaux, énergétiques et autres. L'IoT et le SCADA sont différents à bien des égards, mais le premier est si global qu'il est certain qu'il influera sur le SCADA. La question est maintenant de savoir comment.

Pour ceux qui ne sont pas familiers avec SCADA, il s’agit d’un système de supervision conçu pour surveiller et contrôler les équipements critiques généralement dispersés sur une vaste zone. C’est une technologie cruciale pour assurer le fonctionnement fiable de systèmes allant du contrôle de l’eau et des déchets à la distribution d’énergie, au raffinage du pétrole et du gaz, au transport, aux centrales à combustibles fossiles et nucléaires, et bien d’autres. Sans SCADA, ces systèmes fonctionneraient «dans l'obscurité» sans retour d'information sur l'état de leurs centaines à dizaines de milliers de zones sensibles.

Les systèmes SCADA offrent deux fonctions de base: le contrôle à distance des équipements tels que les interrupteurs et les disjoncteurs, y compris le contrôle de charge / délestage, les vannes et les actionneurs, et la télémétrie pour signaler leur état actuel à un point central. Ils permettent également de mesurer et de signaler à distance des capteurs de données plus détaillés connectés à ces appareils et à d'autres.

Le concept a été conçu au moins aussi loin que les années 1930 pour fournir un contrôle de supervision des services publics d'électricité et a été mis à jour périodiquement au fil des ans pour augmenter les performances et réduire les interventions humaines. Un système se compose de matériel, de logiciels, de communications filaires et sans fil et de contrôleurs logiques programmables (API) et de terminaux distants (RTU) auxquels sont connectés divers types de capteurs. Au sommet de tout ce matériel se trouvent les capacités de supervision de SCADA.

Les données des capteurs ou des RTU peuvent être transmises par tous les moyens disponibles, des lignes téléphoniques aux réseaux de capteurs Ethernet, par satellite ou sans fil (WSN), selon ce qui est disponible et rentable. Une variété de protocoles filaires continuent d'être utilisés, certains datant des premiers déploiements SCADA, bien que la tendance soit aux protocoles open source pour éliminer la dépendance aux solutions propriétaires.

Les informations des capteurs sont envoyées à un centre de contrôle où tous les points du système sont affichés. Dans une grande installation industrielle ou un centre de contrôle de réseau utilitaire (Fig. 1) se trouve un mur de moniteurs avec une ressemblance frappante avec le contrôle de mission de la NASA. Un système SCADA possède également une fonction «historique», une base de données de données horodatées sur les alarmes, les mesures et d'autres types d'informations qui peuvent être utilisées pour l'analyse statistique.

1. Le centre de contrôle d'une grande organisation obtient ses données brutes à partir des capteurs du système SCADA. (Source: Tout sur les circuits)

SCADA et IIoT

Avec l'émergence de l'IoT industriel (IIoT), les opinions divergent sur ce que deviendra SCADA, allant de SCADA complétant l'IoT à SCADA qui disparaît progressivement au sein de l'IIoT. Cependant, l'argent intelligent est sur SCADA non seulement survivant, mais élargissant son rôle de supervision en ajoutant certaines des fonctionnalités utilisées par l'IoT. Cela inclut le traitement et les analyses basés sur la périphérie et le cloud qui permettent une maintenance préventive automatisée et finalement prescriptive, réduisant ainsi la dépendance à l'intervention humaine.

SCADA ne disparaîtra pas de si tôt pour la simple raison qu’aujourd’hui, les systèmes SCADA sont plus petits que les déploiements IIoT. Et ce sera le cas pendant des années, car ils sont un ingrédient essentiel dans les systèmes critiques qui ont été déployés et modifiés plusieurs fois au cours des décennies. Ces systèmes comprennent les réacteurs nucléaires, les opérations de défense, le réseau électrique, l'ensemble de l'industrie des combustibles fossiles et bien d'autres. Le remplacement en gros de ces systèmes par des solutions IIoT pures serait également d'un coût prohibitif et extrêmement perturbateur, laissant potentiellement certains actifs non protégés contre les cyberattaques pendant la transition.

Il n'est donc pas surprenant que SCADA représente une part substantielle du marché mondial des systèmes de contrôle industriel, qui devrait atteindre près de 200 milliards de dollars d'ici 2024. En bref, alors que l'IIoT continuera à imprégner davantage de secteurs industriels, SCADA continuera pour fournir ses fonctions traditionnelles d'alerte, d'enregistrement de données, de contrôle en temps réel et de gestion de base de données, mais en mieux.

Nouvelles ondes dans le SCADA sans fil

Traditionnellement, le SCADA sans fil utilisait un réseau auto-fourni spécialement conçu pour minimiser les points de défaillance uniques qui, à eux seuls, pouvaient interrompre tout un système. Pour y parvenir, de nombreux progrès ont été réalisés pour améliorer cette résilience en fournissant des chemins de signaux redondants, des topologies de réseau de type maillé et divers systèmes et technologies sans fil.

Les services publics et d'autres industries critiques ont décidé il y a longtemps que la seule façon d'assurer la fiabilité «cinq neuf» était de construire leurs propres réseaux sans fil filaires et privés. On pensait que les réseaux commerciaux n'étaient pas suffisamment fiables et que la plupart des infrastructures de services publics se trouvaient dans des endroits non desservis par des transporteurs commerciaux. En conséquence, les services publics possèdent aujourd'hui au moins 80% de leurs propres réseaux de communication et utilisent les systèmes commerciaux avec parcimonie. À l'origine, les réseaux ne servaient que des communications vocales, mais lorsque SCADA a commencé son déploiement, les données ont été ajoutées au mélange et représentent aujourd'hui une grande partie du trafic.

Cela dit, d'autres industries non désignées comme critiques utilisent presque toutes les normes et protocoles communs, des bandes industrielles, scientifiques et médicales (ISM) sans licence à 902 à 928 MHz, 2,4 GHz et 5,7 GHz, WiMAX, TETRA, deuxième et troisième – les méthodes d'accès cellulaire de génération, la radio mobile numérique (DMR) et les systèmes radio mobiles terrestres privés. Les systèmes satellitaires sont également largement utilisés, en particulier par les industries dont les actifs sont géographiquement diversifiés, dont un bon exemple est la distribution de pétrole et de gaz et le forage en mer.

Les liaisons RF et hyperfréquences point à point et point à multipoint sont un pilier de SCADA depuis de nombreuses années, permettant de connecter des actifs étendus tout en offrant des débits de données élevés et une fiabilité élevée. Le réseau électrique illustre où les liaisons hyperfréquences et autres technologies sans fil jouent un rôle dans un réseau complexe et géographiquement massif, qui peut être divisé en trois niveaux (Fig. 2). Le niveau 1, l'épine dorsale du réseau, est desservi par des liaisons hyperfréquences par fibre optique et point à point dans une topologie en anneau afin que n'importe quel site puisse communiquer avec le site central via deux chemins complètement différents. La plupart des services publics utilisaient des fréquences sous licence autour de 6 GHz à cette fin.

2. Les trois niveaux d'une architecture de télécommunications utilitaires se composent d'un réseau de terrain, d'une liaison et d'un cœur de réseau à haut débit. (Source: Utilities Technology Council; préparé par Red Rose Telecom)

Comme toujours, la fibre est le moyen de transmission préféré, mais elle est très coûteuse et souvent presque impossible à déployer, en particulier dans les régions éloignées. En conséquence, les liaisons micro-ondes représentent au moins la moitié de l'infrastructure de dorsale. Ils peuvent fournir une connectivité à très haut débit sur de nombreux sauts dans une vaste zone géographique. Jusqu'à quatre radios sont généralement installées sur une tour. Le protocole dans les deux cas est généralement Carrier Ethernet, bien que d'autres soient également utilisés.

L'avantage des liaisons hyperfréquence est leur capacité à envoyer des informations sur de longues distances avec un minimum d'infrastructure, en utilisant des antennes montées en tour rentables. Par exemple, le KP-5PDN-2 (Fig. 3) est un 2 pieds polyvalent. antenne parabolique avec connecteurs de type N couvrant 4,9 à 6,4 GHz avec un gain de 30 dBi. Son modèle hautement directionnel réduit les interférences et fournit une liaison fiable sur des trajets de plusieurs dizaines de kilomètres. La YA17KPPD est une antenne yagi industrielle robuste fonctionnant entre 880 et 948 MHz avec 17 dBi de gain et peut résister à de la glace épaisse, des vents violents et d'autres conditions environnementales difficiles.

3. Le KP-5PDN-2 2 pieds. antenne parabolique couvrant 4,9 à 6,4 GHz a un gain allant de 27,5 à 29,8 dBi, selon la fréquence. Cela augmente la puissance d'entrée d'un maximum de 50 W à une EIRP près de 10 fois celle, permettant de couvrir de longues distances.

Le deuxième niveau est connecté à l'aide de liaisons hyperfréquences point à point pour la fourniture de télémétrie et de liaison vers les sous-stations qui sont connectées à la dorsale de niveau 1. L’un des principaux problèmes auxquels sont actuellement confrontés les services publics est le manque de spectre disponible presque partout à 6 GHz et moins, ils doivent donc faire face au partage de fréquences en utilisant le nouveau service de radio à large bande pour citoyens (CBRS) de la FCC à 3,5 GHz.

Le partage des fréquences est de plus en plus courant aujourd'hui, en raison du manque de spectre disponible. Cependant, pour les applications critiques, cela laisse beaucoup à désirer. Autrement dit, le spectre alloué est divisé en trois classes, la première étant les opérateurs historiques (principalement les radars gouvernementaux). Ces titulaires doivent être protégés contre les interférences des titulaires de licence d'accès prioritaire (PAL). Les utilisateurs GAA (General Authorized Access) de la classe la plus basse, sans licence, qui n'ont aucune protection contre les classes supérieures et ne doivent pas interférer avec elles. Comme le CBRS vient juste d'être déployé, il reste à voir dans quelle mesure ce système extrêmement complexe fonctionnera comme un autre scénario de partage de fréquences, car les fréquences dites d'espace blanc entre 470 et 790 MHz ont souffert de problèmes importants.

Le troisième niveau est celui qui ressemble à ce que la plupart des gens considéreraient comme l'IoT car il se compose de nombreux capteurs et RTU desservis par un réseau basse consommation et basse vitesse utilisant des canaux étroits à 900 MHz. Le niveau 3 est généralement une solution beaucoup plus localisée. Néanmoins, il nécessite de plus en plus de débits de données plus élevés pour transporter une vidéo haute résolution qui est actuellement peu utilisée, mais qui sera probablement une capacité requise à l’avenir.

Comme 6 GHz est l'une des fréquences principales utilisées par les services publics pour SCADA, la gestion des urgences et la radio mobile terrestre, il y a une préoccupation croissante au sujet d'un avis de proposition de réglementation de la FCC qui permettrait l'utilisation de la bande 5,925 à 7,125 GHz pour un fonctionnement sans licence. par d'autres services. Comme chaque extrait de spectre potentiellement disponible, celui-ci est controversé en raison du potentiel d'interférence avec d'autres services fonctionnant sur ou à proximité les uns des autres.

Cependant, pour les infrastructures essentielles à la mission, le partage du spectre présente des problèmes potentiels de sécurité nationale, c'est pourquoi elle s'est toujours appuyée sur ses propres réseaux exploitant des fréquences sous licence. Les centrales nucléaires, par exemple, reposent presque entièrement sur des systèmes 6 GHz pour les communications de liaison. Les services publics ont déjà été «réarmés» spectralement une fois à partir de fréquences voisines de 2 GHz dans les années 1990, à un coût énorme, pour faire place aux services commerciaux.

Si cela se reproduit, les alternatives sont à 8 et 11 GHz, dont les caractéristiques de propagation sont moins favorables que 6 GHz pour couvrir des distances entre radios hyperfréquences. Par conséquent, cela nécessiterait plus qu'un simple changement de fréquences dans le matériel. Une analyse de la couverture serait nécessaire à grande échelle, ainsi que le déplacement des tours existantes et l'ajout de nouvelles, y compris leur équipement installé comme les antennes paraboliques. Au moment d'écrire ces lignes, aucune décision n'a été prise sur la manière dont ce spectre sera utilisé.

IIoT et SCADA

L'émergence de l'IoT a déjà créé une opportunité possible pour les organisations qui utilisent SCADA: la concurrence entre l'industrie cellulaire et les fournisseurs LPWAN pour fournir une connectivité entre les déploiements IoT et Internet. Les deux offrent des solutions conçues spécifiquement pour connecter un grand nombre d'appareils qui transmettent des quantités minimales de données.

Les opérateurs cellulaires proposent à cet effet les protocoles LTE-M et IoT à bande étroite (NB-IoT), tandis que les LPWAN sont de plus en plus centrés sur deux solutions, Sigfox, et des variantes du protocole LoRa, telles que LinkLabs Symphony Link. La différence entre ces solutions et la 4G réside dans leur focalisation sur les besoins de petits appareils, généralement alimentés par batterie, plutôt que sur les vitesses extrêmement rapides requises pour les applications grand public.

Les opérateurs d’infrastructures critiques soutiendraient que si les réseaux sans fil cellulaires sont les leaders incontestés dans la fourniture d’une couverture omniprésente, ils restent des systèmes commerciaux et ne répondent pas à leurs exigences de fiabilité. En outre, les opérateurs et les fournisseurs de LPWAN facturent des frais pour chaque nœud qu'ils se connectent.Dans le cas du LPWAN en particulier, la couverture ne représente qu'une infime partie de ce que propose le cellulaire, et en tant que concurrent du géant cellulaire, il n'est pas certain de survivre.

Cela dit, afin de servir adéquatement «l'industrie 4.0», les deux services doivent trouver un moyen de connecter des appareils avec un minimum ou pas de connexions modernes – filaires ou sans fil. Il peut s'agir de pompes qui sont en service depuis des années mais qui fonctionnent toujours bien, qui sont chères et qui seraient insensées à remplacer ne serait-ce que pour faire partie d'un réseau moderne.

La solution à ce problème est la connectivité «de boulonnage». Cela peut être fait via un appareil peu coûteux qui détecte les changements dans certaines caractéristiques de fonctionnement critiques (comme le bruit ou les vibrations), convertit le capteur analogique en forme numérique et le communique à une passerelle via l'un des divers protocoles sans fil à courte portée utilisés pour l'IoT. (Zigbee, Bluetooth, Z-Wave, etc.).

Cependant, des problèmes surviennent lors de l'utilisation de cette approche dans l'environnement SCADA, dont les capteurs utilisent généralement des connexions filaires à la RTU ou, comme certains de leurs homologues industriels hérités, n'ont aucune connectivité. De nombreux sites surveillés par SCADA sont loin de la civilisation et connaissent des conditions environnementales beaucoup plus hostiles que des environnements industriels relativement bénins. Ce n'est pas un problème insurmontable dans la plupart des cas, car une forme de protection peut être ajoutée pour envelopper l'appareil, en supposant que l'ajout en vaut réellement la peine.

Un autre problème fondamental lors de l'examen de l'intégration de l'IoT avec SCADA est de savoir si cela en vaut la peine, car l'accès à Internet est une exigence obligatoire de l'IoT. Dans SCADA, presque toutes les prises de décision, aussi limitées soient-elles par rapport à l'IoT, résident au PLC ou au RTU, ce qui élimine les problèmes de plus en plus onéreux de sécurité Internet. Avec l'IoT, les décisions sont également prises localement, de plus en plus dans les ordinateurs de périphérie et les passerelles, mais les données finissent par être acheminées vers un centre de données cloud, via Internet.

Résumé

L'IoT est peut-être en train de prendre d'assaut le monde industriel, mais il ne remplacera pas les systèmes SCADA, du moins pas dans un avenir prévisible. Au lieu de cela, SCADA utilisera les éléments IoT qui en bénéficient, tels que les capteurs avancés, et aura éventuellement la capacité d'effectuer une maintenance préventive et normative. À l'heure actuelle, le plus grand défi de SCADA est sans doute de trouver des fréquences dans lesquelles il peut exécuter ses fonctions critiques sans interférence d'autres services. Une fois ce problème résolu, il a une voie claire pour passer d'une solution de supervision à une solution entièrement automatisée, utilisant l'intelligence artificielle haute résolution et de nombreuses autres technologies.

Justin Pollock est ingénieur d'antenne senior chez KP Performance Antennas.

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