L'usine sans fil

 Aujourd'hui en 2006, l'ensemble des composantes essentielles à l'implantation de réseaux sans fil dans les usines a atteint la fiabilité technique à un coût très compétitif. La firme de consultant ARC¹ prévoit pour 2010 des ventes de plus de 1 milliard $ en différents types de sondes sans fil sur des dépenses de 26 milliards $² en contrôle industriel.

L'utilisation du sans-fil dans les applications industrielles est à ses débuts. La période d'adaptation semble plus longue que d'autres domaines (bâtiment, médical, résidentiel). Selon le « RUNES technology roadmap³ », les industries de l'automobile, de la transformation alimentaire, de la pétrochimie et de la localisation des équipements sont identifiées comme les utilisateurs précoces du sans-fil industriel

Sans fil industriel VS LAN

En général, les applications industrielles comme la lecture de sonde nécessitent un faible débit, mais un haut niveau de fiabilité. Tandis que les applications commerciales comme les réseaux informatiques de gestion entraînent un grand volume et un grand débit de donnés.

Les applications avec un grand débit constant ne devraient pas employer le sans-fil. De plus, les environnements industriels sont très exigeants pour les composantes en terme de robustesse, résistance aux vibrations, écarts thermiques et écarts d'humidité.

Avantages du sans-fil

L'un des principaux avantages du sans-fil est de réduire les coûts d'installation reliés au câblage en temps et en matériel. Pour plusieurs applications, le coût relié au câblage est 10 fois plus grand que l'achat du périphérique⁴. Les applications industrielles ne nécessitent en général que 20 % des données fournies par les réseaux câblés. Dû au faible coût d'installation de certaines sondes, il est possible d'installer plus de points de lecture et d'obtenir un meilleur suivi des systèmes.

Normes 2006 ISA-SP100

À l'heure actuelle, plusieurs technologies sont disponibles, mais ne sont pas conformes aux règles locales ou nationales employant trop de puissance ou encore à des fréquences trop élevées. Le comité ISA-SP100⁵ a été formé en 2005 pour standardiser les applications du sans-fil dans le domaine industriel. Des recommandations de deux sous-comités sont attendues pour l'automne 2006. ISA-SP-100 WG3 se penche surtout sur le standard de communication relié aux périphériques de lecture (sondes de température, de pression) tandis que WG4 travaillera sur les normes du monitoring. En ce qui concerne l'interopérabilité, il existe actuellement un grand nombre de protocoles pour les bus de terrain (fieldbusses) et l'Ethernet industriel. Il serait opportun d'uniformiser le choix de protocole afin d'éviter les risques de collusion.

Tableau 1 : Classes ISA

Source : Plant Engineering July 2006, la classification retenue par l'agence ISA

Utilisation du sans-fil dans le secteur industriel

Les machines utilisant les ports de type RS232, RS242 et RS485 sont facilement transformables en sans-fil. Ceci s'explique par la facilité de se relier à un PC.

Figure 1 : Source : Phoenix Contact Interface Bluetooth à port série

Selon plusieurs experts du domaine industriel, les applications utilisant les différents types de sonde (température, pression, débit et de niveau) domineront encore pour les prochaines années l'emploi du sans-fil. Par la suite, suivront les applications nécessitant une plus grande capacité de traitement ex : gestion de procédés.

Figure 2 : Source : Accutech; sondes sans fil dans l'industrie gazière

Les meilleures pratiques

L'emploi d'une technologie hybride entre la communication avec fil et le sans-fil s'avère encore le meilleur choix. La vitesse Ethernet de 100 Mb/s offre encore un avantage convaincant par rapport au bus de terrain (fieldbus) à 12 Mb/s. En ce qui concerne les piles surtout aux endroits difficiles d'accès, il est recommandé d'utiliser des technologies comme ZigBee⁶ étant caractérisées par sa faible consommation d'énergie (durée de 100 à 1 000 jours).

• Utilisation de la bande ISM (Industriel Scientifique Médical) à 2.4 GHz
• En terme de sécurité, le cryptage préférable est 64 ou 128 bits WEP
• Matériel certifié seulement
• Maintenir un niveau de bruit inférieur à -67 dBm (Décibel);
• Ne pas installer l'antenne près des structures d'acier;
• Garder à 2 pieds et plus des structures d'acier;
• S'assurer que la longueur de la portée du signal soit la même pour le récepteur et l'émetteur;
• Éviter d'utiliser plus d'un protocole dans le même espace;
• Éloigner des sources d'alimentation électrique

Figure 3 : Installation sans fil de sondes de pression, de température, de niveau et de débit.

Figure 3a : Point d'accès Ethernet industriel Siemens

2.4 GHz vs 900/869 MHz

L'usage des éléments de communication sans fil est fortement règlementé. Certains spectres radio sont gratuits « licence-free » selon le pays et sont connus sous le nom de ISM (Industriel Scientifique Médical). Les bandes ISM les plus populaires sont :

• 220 MHz - Chine
• 433 & 869 MHz - Europe
• 900 MHz - Amérique du Nord et autres pays
• 2.4 et 5.7 GHz - dans la plupart des pays

La performance de la radio selon le type d'environnement est déterminée par l'habilité du signal radio de :

1. pénétrer les obstacles
2. contourner les obstacles
3. réfléchir aux obstacles

Figure 4 : Les hautes fréquences ont de hautes atténuations lorsqu'elles traversent les obstacles. Source : Elpro Technologies no 1.1.1

Figure 5 : Les hautes fréquences contournent moins facilement les obstacles que les basses fréquences

Figure 6 : Les hautes fréquences perdent plus leur signal lors de réflexion que les basses fréquences.

Tableau 2 : Distances en Amérique du Nord

Source : Elpro Technologies no 1.1.1

Figure 7 : Types de réseaux

Source: Newtrax Technologies

Technologies populaires

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Bluetooth et ZigBee sont deux technologies très populaires dans le domaine du sans-fil. Des normes « open source » comme WINA apparaissent maintenant.

Bluetooth⁷

Chaque appareil doit disposer d'une puce électronique contenant le protocole Bluetooth.
L'objectif de Bluetooth est de permettre de transmettre des données entre des équipements possédant un circuit radio de faible coût, sur un rayon de l'ordre d'une dizaine de mètres à un peu moins d'une centaine de mètres. Chaque puce possède une adresse unique de 48 bits sur la bande ISM. Les connexions peuvent être de point à point ou multipoints à un débit de 1-3 Mbp.

ZigBee

La technologie ZigBee permet d'obtenir des liaisons sans fil à très bas prix avec une très faible consommation d'énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée pour être directement intégrée dans de petits appareils électroniques comme les sondes. La technologie Zigbee, opérant sur la bande de fréquences des 2,4 GHz et sur 16 canaux, permet d'obtenir des débits pouvant atteindre 250 Kb/s soit le quart de Bluetooth avec une portée maximale de 100 mètres environ. ZigBee, comme Bluetooth, réside dans une puce électronique.

WINA⁸

Wireless Industrial Networking Alliance est un regroupement d'intervenants reliés aux applications sans fil industrielles. La mission de WINA est d'offrir des normes « open source » afin de standardiser interopérabilité entre les systèmes. Honeywell⁹ a lancé tout récemment la gamme XYR 5000 incluant des transmetteurs de pression (relative, absolue, différentielle) et de température ainsi qu'un boîtier avec entrée analogique 4-20 mA pour permettre aux capteurs câblés (électriquement) de communiquer sans fil selon les normes WINA (voir figure 3).

¹ ARC Advisory Goup
² Apprion Roadmap 2006
³ Profibus International Conference June 2006
⁴ Intermec Guide to industrial wireless
⁵ ISA www.isa.org/community/sp100
⁶ www.zigbee.org
⁷ www.bluetooth.com
⁸ www.wina.org
⁹ www.honeywell.com