Le travail présenté dans cet article est réalisé dans le cadre du projet européen Interreg 2 Mers INCASE1 (Industry 4.0 via Networked Control Applications and Sustainable Engineering). L’objectif est la mise en œuvre de la technologie Proficloud pour le contrôle à distance et la supervision de stations de pompage d’eau géographiquement distribuées.
Afin d’évaluer les performances de cette nouvelle technologie, un démonstrateur interrégional a été développé conjointement par les partenaires Icam de Lille, l’Université de Lille et l’Université KUL de Gand. Pour des raisons pratiques, chaque partenaire à mis en place un émulateur de stations de pompage représentant localement un site de production. Chaque émulateur local est équipé d’instruments de contrôle/commande: automates industriels, capteurs/actionneurs, une caméra IP et un coupleur Proficloud qui permet d’étendre le réseau de terrain industriel Profinet vers le réseau internet. Le système de supervision global a été implémenté à l’Université KUL de Gand (Belgique). Il comprend principalement une IHM et un coupleur Proficloud. Deux problématiques principales ont été abordés dans ce projet : les retards de communication et la perte de connexion.
L’industrie du futur en France ou industrie I4.0 en Allemagne désigne la 4eme révolution industrielle après celles de la mécanisation, de la production de masse et de l'automatisation. Tout particulièrement pour l’industrie manufacturière, le nouveau paradigme est la personnalisation de masse. En effet, grâce à la numérisation et aux déploiement des réseaux numériques, l'industrie tend vers un système global interconnecté dans lequel les machines, les systèmes (ERP) et les produits communiquent en permanence. C’est dans ce contexte que le projet INCASE se propose de mettre en œuvre et d’évaluer les technologies émergentes afin de faciliter et accélérer leur adoption par le monde industriel, notamment les PME de la région des 2 Mers.
Secteur de l’eau et industrie I4.0
Le secteur de l’eau a un caractère foncièrement distribué. En effet, un réseau de production et de distribution d’eau est constitué d’unités dispersées, munies d’automatismes de contrôle locaux et une supervision distante. Cela concerne aussi bien le captage, le traitement, le stockage que l’acheminement vers l’usager.
Figure 1 : Vue générale de l'infrastructure Proficloud [3].
Ces installations sont autonomes ou semi-autonomes et communicantes. C’est un secteur très innovant en particulier sur le plan de l’utilisation des technologies de communication les plus récentes. Cela va de la communication radio et téléphonique (ADSL), en passant par le GSM (SMS, 2G/3G/4G) jusqu’à l’Ethernet [1].
Par ailleurs, le monde de l’industrie manufacturière et de la distribution évolue inéluctablement vers le modèle dit industrie I4.0. Dans ce modèle où le nouveau paradigme industriel est la mise en réseau numérique et la personnalisation de masse, les usines intelligentes et connectées (toutes tailles confondues) seront le fer de lance de la performance industrielle. Elles sont de plus en plus intelligentes grâce au déploiement grandissant des IOT (Internet of Things) et des IIOT (Industrial Internet Of Things). Ces technologies confèrent aux usines plus d’agilité et de flexibilité pour satisfaire au plus près les besoins et attentes du client [2]. En effet, ces objets divers (capteurs intelligents, moto-variateurs, automates industriels…) sont dotés de capacité de traitement embarqué de l’information. De plus, ils sont communicants, en particulier au travers de réseaux de terrain industriels éprouvés comme Profinet.
D’autre part, la maturité des technologies numériques de Cloud Computing, couplées à des protocoles de communication industriels ouvre de nouvelles possibilités de connexion sécurisée entre usines distantes. En effet, ces technologies permettent d’étendre les réseaux industriels de terrains au réseau internet. C’est le cas par exemple de la technologie Proficloud qui est l’extension du réseau Profinet local. Cette technologie est développée par Phoenix Contact [3].
Figure 2 : Démonstrateur Proficloud interrégional. (a) Répartition géographique, (b) Aperçu de l’IHM du superviseur centralisé à Gand
De manière globale, grâce à un coupleur (Cloud Coupler), la technologie Proficloud permet de bâtir aisément une infrastructure de réseau Profinet étendue capable de connecter des usines distantes (figure 1). De ce fait, la connexion est transparente et les opérateurs d’automatismes industriels restent sur leur cœur de métier, à savoir le Contrôle/Commande et la supervision à distance de la production.
Dans ce qui suit, nous présentons le travail de mise en œuvre du Proficloud sur un démonstrateur pilote. En effet, dans le cadre du projet INCASE, afin de tester et d’évaluer cette technologie émergente, il a été choisi de la déployer sur l’exemple d’un réseau de captage et distribution d’eau potable, vu son caractère distribué.
Démonstrateur Proficloud
Durant les phases de développement du projet INCASE, il a été décidé de mettre au point un démonstrateur interrégional composé de trois démonstrateurs régionaux : deux en France, à savoir un site à l’Icam et un autre à l’Université de Lille et le troisième site à l’université KUL de Gand (Belgique).
Démonstrateur interrégional
Chacun des trois partenaires, a développé une plateforme de démonstration Proficloud composée de :
Un émulateur de système de captage, de distribution ou de traitement d’eau
Cloud Coupler couplé à un automate Profinet pour le contrôle distant (AXC 1050)
Un automate Profinet compatible Proficloud (AXC Cloud Pro)
Une caméra IP pour un contrôle visuel à distance
Souscription au Cloud service de Phoenix Contact (www.proficloud.net)
Un PC dédié au développement d’automatismes de contrôle et à la supervision via une IHM.
La figure 2.a montre la répartition géographique du démonstrateur interrégional. L’interface Homme-Machine développée et gérée par KUL sur le site de Gand est présentée sur la figure 2.b.
Démonstrateur local de l’Icam
Le démonstrateur Icam a pour objectif de déployer la technologie Proficloud sur le cas de figure d’un réseau de distribution d’eau illustré par la figure 3.a. Pour cela, on utilise un banc hydraulique expérimental de laboratoire (figure 3.b) instrumenté pour émuler le réseau d’eau souhaité. Il est composé principalement de trois cuves d’eau, deux pompes, des électrovannes qui simulent la demande et les fuites, ainsi que les capteurs nécessaires pour le contrôle automatique.
Figure 3 : Aperçu du réseau d’eau émulé par le démonstrateur. (a) configuration du réseau émulé, (b) émulateur physique.
La figure 4 illustre l’installation matérielle du démonstrateur dans les locaux de l’Icam. On distingue en particulier la séparation de l’émulateur physique et de la centrale de contrôle distant par Proficloud. Il est à noter que cette dernière est composée du Cloud Coupler et de l’automate industriel AXC 1050. De ce fait, elle est mobile et utilisable partout, moyennant une simple connexion à internet (figure 5). Notons aussi que la technologie Proficloud, en plus de permettre l’extension du réseau industriel Profinet, donne également accès à une panoplie de web-services comme le service météo, par exemple. Ce qui est remarquable, c’est que les webservices sont vus dans le réseau Profinet comme des automates virtuels et s’insèrent de manière transparente dans la configuration du réseau d’automatismes industriels. Dans le cas du service météo, il est indéniable que cela peut apporter des possibilités de gestion plus performante d’un réseau de distribution d’eau en intégrant les données météorologiques.
Premières évaluations et conclusion
Au cours de ces travaux, nous avons déployé et validé avec succès l’utilisation de la technologie Proficloud pour piloter des stations de pompage, production et distribution d’eau situées sur des sites géographiques différents. En effet, lors de la campagne de tests, les temps de latence évalués sont de l’ordre de 2.9 secondes (aller-retour). On constate dans l’absolue, néanmoins, que ce temps est variable aléatoirement (écart-type d’environ 0.5 seconde). Mais cela reste tout de même adapté aux dynamiques lentes des systèmes de distribution d’eau. En revanche, le déploiement de cette technologie le contrôle temps-réel à distance de systèmes rapides peut être source d’instabilité. C’est le cas par exemple de la télé-opération des systèmes motorisés, robots, etc.
Figure 4 : Aperçu de l’installation matérielle du démonstrateur Proficloud à l’Icam.
Par ailleurs, dans la configuration du démonstrateur, le contrôle automatique est réalisé par l’automate distant, alors que l’automate local joue simplement le rôle d’une carte entrées/sorties déportée. Cette configuration présente l’inconvénient d’être tributaire de la continuité de la liaison internet. Autrement dit la perte de la connexion internet implique la perte de contrôle du système à distance. Cependant, il est possible de prévoir un automatisme de contrôle local qui maintient un fonctionnement autonome et sécurisé. Cela fera l’objet de travaux futurs.
Figure 5 : Architecture Proficloud du démonstrateur Icam.
L’aspect sécurité des données n’a pas été abordé dans ce travail. Néanmoins, la spécification fournie par Phoenix Contact assure des échanges de données sécurisés via un cryptage TLS.
De notre point de vue, une autre approche pour pallier aux problèmes de temps de latence variable et au risque de perte de connexion internet est l’utilisation des réseaux 4G/5G. En effet, dans ce cas, la continuité de service est garantie par l’opérateur de télécommunication (service payant bien entendu). De plus, notamment avec la 5G, les temps de communication seront largement réduits pour permettre du contrôle temps réel à distance. On parle alors d’internet tactile.
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