Automatisation sans fil pour contrôle de processus

Diverses technologies sans fil ont évolué pour supporter des liaisons souples avec des applications industrielles de réseau et de contrôle de processus, offrant une gamme de fonctions étendues, allant des plus économiques aux options matérielles en temps réel.

Une gamme de fréquences sans licence est disponible, incluant des variantes inférieures à 1 GHz dans différentes régions du monde, 915 MHz sur les continents américains, 868 MHz en Europe et 920 MHz au Japon, jusqu'à la bande unifiée de 2,4 GHz. Elles autorisent une augmentation des volumes, une réduction des coûts et de meilleures possibilités d'intégration des transceivers RF avec une base microcontrôleur économique.

Pour les applications exigeant une capacité matérielle en temps réel, tels que le suivi des processus nucléaires ou chimiques critiques, une solution à faible latence est essentielle. Diverses versions sans fil de protocoles Fieldbus, tels que WirelessHART, permettent de délivrer une performance en temps réel avec une grande souplesse grâce aux liaisons sans fil. Tout en étant basée sur la bande sans licence 2,4 GHz utilisée par d'autres technologies, et en particulier la Wi-Fi et ZigBee, elle inclut aussi la sécurité et la protection contre les interférences, garantissant que chaque paquet d'informations sera transmis dans les délais requis.

Dans la bande globale sans licence 2,4 GHz, ZigBee se positionne de plus en plus comme un protocole industriel à la fois robuste et souple, supportant le développement de réseaux maillés bénéficiant de la transmission directe des données entre les nœuds. ZigBee a ajouté le protocole IPv6 pour que ces nœuds soient directement accessibles par internet. Bien qu'elle ne génère pas une demande importante pour des applications industrielles, l'utilisation des contrôles à distance et des réseaux étendus progresse et fera partie des exigences de base au cours de prochaines décennies.

 

ZigBee IPv6

Après plusieurs années d'études, une version du réseau maillé ZigBee standard supportant le nouveau protocole internet IPv6 a été mise sur le marché. IPv6 étend l'espace d'adresse du protocole IPv4 actuel, qui n'a plus assez de nombres pour identifier tous les dispositifs connectés par internet.

L'évolution de ZigBee pour supporter IPv6 exige diverses modifications logicielles sur la couche réseau. Cette nouvelle version est également conçue pour fonctionner avec le protocole ZigBee Smart Energy (version 2, SE2) à différentes fréquences. Il peut aussi nécessiter des modifications sur les couches MAC et PHY des dispositifs. La révision 0.7 de SE2 est à l'étude dans l'industrie. Elle vise à ouvrir d'autres bandes de fréquences à ZigBee, en plus de la bande sans licence 2,4 GHz. Elle supporte des applications pour les secteurs de la distribution des eaux, de l'énergie, de l'alimentation secteur intelligente, ainsi que des applications machine-machine industrielles (M2M), telles que le contrôle de processus.

ZigBee IP est le premier standard ouvert pour une solution de réseau maillé sans fil complète basée sur IPv6. Il fournit des connexions internet transparentes. Mais contrairement à la version actuelle de ZigBee, les réseaux ZigBee IP n'ont pas besoin de passerelles pour établir des connexions internet. Par conséquent, ils peuvent fonctionner directement avec d'autres dispositifs Ethernet et Wi-Fi. En outre, comme il fonctionnera aussi avec les bandes inférieures à 1 GHz dans toutes les régions du monde, il crée une opportunité globale pour les développeurs d'équipements de contrôle de processus.

Les spécifications ajoutent des couches de sécurité et de réseau, ainsi qu'une infrastructure applicative à la norme IEEE 802.15.4, pour fournir une architecture plus évolutive, avec la même sécurité prouvée et bout à bout, basée sur le protocole TLS1.2, que celle offerte par la structure des différentes trames ZigBee. Utilisant un algorithme AES-128-CCM, cette sécurité supporte une infrastructure de clés publiques et s'appuie sur les certificats standard X.509 v3 et la suite de chiffrement ECC-256.

Parmi les changements fondamentaux, ZigBee IP continue de supporter non seulement la bande 2,4 GHz, mais aussi les opérations régionales. Des débits de données brutes de 250 Kbs peuvent être obtenus sur la bande de 2,4 GHz et sur 16 canaux, 40 Kbs à 915 MHz sur 10 canaux et 20 Kbs à 868 MHz sur un canal. La portée de transmission s'étend de 50 à 200 mètres, selon la puissance de sortie et les caractéristiques environnementales.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Figure 1 : Topologie du réseau ZigBee IP pour le contrôle de processus

Comme le réseau ne nécessite pas de passerelle, ZigBee IP doit supporter le développement de mécanismes de découverte avec confirmation de demande intégrale. Des dispositifs peuvent être ajoutés en tout point du réseau, reliés à d'autres périphériques pouvant être sur d'autres réseaux. Dans ce cas, les couches de découverte, d'authentification et de liaison sont beaucoup plus complexes.

Les interférences deviendront un challenge de plus en plus important sur les systèmes IPv6 les plus étendus et qui fonctionnent avec d'autres réseaux dans la bande 2,4 GHz, tels que Bluetooth et Wi-Fi. Par conséquent, les produits ZigBee IP ont accès à 16 canaux 5MHz séparés dans la bande 2,4 GHz, permettant d'utiliser la gestion de bande pour éviter les interférences. Cette opération peut être manuelle lorsqu'un dispositif est ajouté au réseau, ou comme cela est plus probable, réalisée par un logiciel adaptatif pour contrôler la qualité d'une liaison et changer de bande si nécessaire. La consommation d'énergie pourra ainsi être réduite, puisqu'une puissance élevée ne sera pas nécessaire pour surmonter les interférences sur la liaison.

Plus important encore, plusieurs de ces bandes ne chevauchent pas les versions Wi-Fi américaines et européennes et peuvent donc être utilisées très précisément pour éviter des sources d'interférences probables. ZigBee intègre déjà un mécanisme IEEE 802.15.4 CSMA-CA qui réduit la probabilité d'interférer avec d'autres utilisateurs. De plus, ZigBee utilise la retransmission automatique des données pour garantir la fiabilité du réseau. Comme le cycle d'utilisation d'un produit ZigBee est le plus souvent extrêmement bas, les unités de paquets transmises sont relativement peu nombreuses, ce qui réduit les probabilités d'échec des transmissions et renforce la robustesse du protocole. En outre, la suite du protocole ZigBee IP contient des mécanismes qui permettent au réseau opérationnel de passer sur un autre canal.

La norme 802.11 Wi-Fi (a,b,g,n) est fiable, mais des problèmes d'interférences peuvent exister sur d'autres réseaux. Bien que ne bénéficiant pas d'un support temps réel, ZigBee IP répond bien aux exigences des applications de surveillance, telles que le streaming vidéo depuis une caméra distante.

 

WirelessHART

WirelessHART permet aux utilisateurs de bénéficier rapidement et facilement des avantages de la technologie sans fil, tout en préservant la compatibilité avec les dispositifs, outils et systèmes HART. La version sans fil inclut plusieurs fonctions pour fournir un niveau de fiabilité bout en bout à 99,9 % dans tous les environnements industriels, tels que le changement de canaux pour éviter les interférences et coexister avec d'autres réseaux sans fil. La fonction Clear Channel Assessments teste les canaux disponibles. La fonction Blacklisting évite les canaux fréquemment utilisés, permettant d'optimiser la bande passante et l'utilisation des ressources radio. Pour les liaisons critiques de l'interface, la synchronisation garantit la rapidité des messages. Grâce à la topologie autorésiliente du réseau, les défaillances n'ont aucun impact sur les transferts de données.

Les systèmes peuvent être développés avec des transceivers 2,4 GHz souples, tels que des transceivers RF.

 

Sécurité

La sécurité joue évidemment un rôle essentiel sur un réseau industriel. WirelessHART emploie les techniques de sécurité les plus récentes pour fournir les meilleurs niveaux de protection disponibles avec chiffrement AES 128 bits, une clé de chiffrement unique pour chaque message, ainsi que l'authentification des dispositifs.

Chaque dispositif du réseau maillé peut fonctionner comme routeur de messages provenant d'autres dispositifs. En d'autres termes, il n'est pas nécessaire qu'un dispositif communique directement avec une passerelle. Il suffit qu'il transmette son message au dispositif le plus proche. La portée du réseau est donc considérablement étendue, incluant des routes de communication redondantes qui améliorent la fiabilité.

 

Conclusion

La gamme des fréquences sans fil et des protocoles disponibles pour l'automatisation des processus, avec les différentes exigences de performance, jusqu'aux réponses matérielles en temps réel, ont créé une industrie fragmentée. L'avènement de la technologie ZigBee IP ouvre toutes les bandes de fréquences régionales en plus de la bande 2,4 GHz. Sa souplesse d'exploitation permet de connecter des équipements en bénéficiant de nouvelles solutions. Exigeant des niveaux de sécurité plus élevés, le nouveau protocole combine des niveaux de performances plus élevés avec une plus grande souplesse et la promesse d'une stratégie de réduction des coûts efficace, grâce à l'augmentation des volumes de dispositifs mis en œuvre.