Systèmes de contrôle industriel

Un système de contrôle industriel (ICS pour Industrial Control System) comprend des systèmes de contrôle de supervision et d’acquisition de données (SCADA pour Supervisory Control And Data Acquisition), des systèmes de contrôle distribués (DCS pour Distributed Control Systems) et d’autres configurations de système de contrôle compact, telles que des contrôleurs logiques programmables (PLC pour Programmable Logic Controllers), des appareils électroniques intelligents (IED pour Intelligent Electronic Devices), des terminaux distants (RTU pour Remote Terminal Units) et d’autres appareils de terrain. Un ICS augmente les performances, la sécurité et la fiabilité grâce à un contrôle et une surveillance continus de chaque processus industriel et à une réduction des efforts manuels.

Des systèmes de contrôle simples sont montés sur panneau et déployés sur de petits contrôleurs discrets, permettant au panneau avant d’être directement visualisé et à l’opérateur d’intervenir manuellement si nécessaire. Il s’agissait à l’origine de contrôleurs pneumatiques, mais maintenant presque tous sont électroniques. Les réseaux de ces contrôleurs électroniques communiquent en utilisant des protocoles standard de l’industrie pour créer des systèmes complexes. La mise en réseau permet l’utilisation d’interfaces d’opérateur SCADA distantes ou locales et permet aux contrôleurs d’être installés en cascade et interverrouillés.

Les DCS sont des systèmes de contrôle des processus numériques qui utilisent des processeurs fabriqués sur mesure en tant que contrôleurs et des protocoles standard ou des interconnexions propriétaires pour la communication. Ce processus implique des modules de connexion sur le terrain et des fonctions de contrôleur à disperser dans tout le système avec un contrôle centralisé, offrant une gestion et une supervision des processus industriels de grande envergure.

SCADA, une architecture de système de contrôle, utilise des ordinateurs, des interfaces utilisateur graphiques (GUI pour Graphical User Interfaces) et des communications de données en réseau pour effectuer une gestion de supervision de haut niveau. Le système SCADA administre les interfaces d’opérateur qui surveillent et émettent des commandes de processus. Les modules en réseau connectés à d’autres périphériques tels que des contrôleurs PID discrets et des contrôleurs logiques programmables exécutent des calculs logiques et un contrôle en temps réel. Ces contrôleurs s’interfacent avec les machines.

Les PLC sont des appareils modulaires compacts avec plusieurs entrées et sorties (E/S) dans un boîtier intégré avec le processeur. La gamme peut aller jusqu’à de gros appareils modulaires montés en rack où des milliers d’E/S sont connectées en réseau aux systèmes SCADA. Les contrôleurs logiques programmables (PLC) à l’intérieur de l’ICS servent de pont utile entre les mondes physique et cyber. Les rôles critiques joués par les ICS et les PLC ont fait des deux des cibles de cyberattaques sophistiquées. Ces agressions visent à perturber leur fonctionnement, ce qui crée à la fois des perturbations sociales et des pertes financières.

Plusieurs protocoles de communication trouvent une utilisation dans divers environnements ICS. La plupart des protocoles sont conçus à des fins spécifiques telles que l’automatisation des processus, l’automatisation des bâtiments et l’automatisation des systèmes d’alimentation. Les protocoles ICS incluent généralement Process Field Bus (PROFIBUS), Building Automation and Control Networks (BACnet), Distributed Network Protocol (DNP3), Modbus, Open Platform Communication (OPC), Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) et Common Industrial Protocol (CIP).

Nous parlons maintenant de tout mettre en ligne. La quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0) – un terme assemblant des systèmes cyberphysiques comme l’Internet des services et l’Internet des objets (IoT) – a commencé à trouver une résonance croissante auprès des fabricants d’équipement d’origine (FEO), des propriétaires d’actifs et des intégrateurs de systèmes. Dans un avenir proche, une tranche d’informations ICS sera acheminée vers des applications sophistiquées dans toutes les entreprises via un réseau étendu où la sécurité par l’obscurité n’assure plus une protection efficace. Les ICS sont connectés à Internet pour des projets tels que les réseaux intelligents et les villes intelligentes, amplifiant ainsi les risques d’acteurs malveillants.

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Interface d’entrée/de sortie

L’interface d’entrée/sortie ou interface d’E/S est l’interaction entre un appareil de traitement central, tel qu’un automate programmable, et des appareils d’entrée et de sortie. Les entrées sont les signaux ou données reçus par le système de traitement d’un appareil d’entrée numérique, comme un commutateur, un relais ou un contacteur, et les entrées analogiques de divers capteurs indiquant l’état des paramètres physiques, comme la température, la pression, etc. Les sorties sont les signaux ou données envoyées par le système de traitement à des appareils de sortie numérique, comme un indicateur, une lampe, une alarme, un relais ou un contacteur et des appareils de sortie analogique, comme des moteurs, des vannes et des contrôleurs proportionnels, etc.

Chaque module d’E/S peut contenir jusqu’à 32 canaux classés pour des attributs de tension et de courant spécifiques, et peut être basé sur des racks, distribué ou autonome, ou encore extensible. Traditionnellement, les bornes à vis constituaient les raccordements de câblage, bien que de nombreux utilisateurs optent désormais pour des bornes à ressort pour une résistance aux vibrations et un câblage plus simple.

Certains modules d’E/S sont dotés de fonctionnalités spécialisées, notamment le taux de fréquence (Hz), la résistance (ohms) ou la tension (mVs). Le détecteur de température à circuit intégré (ICTD pour Integrated Circuit Temperature Detector), le thermocouple (TC) et le détecteur de température à résistance (RTD pour Resistance Temperature Detector) sont des versions spécialisées d’intelligence artificielle (IA), car ils sont fréquemment utilisés pour offrir une densité d’entrée élevée. Tous les canaux d’un module sont généralement identiques dans un format de base, mais certains systèmes plus récents offrent un mélange des quatre types de modules de base acceptant des entrées discrètes et des sorties discrètes.

Certains fournisseurs de systèmes d’E/S proposent des modules d’E/S multifonctions qui reçoivent des signaux associés sur les points terminaux correspondants et utilisent une configuration centrée sur le logiciel pour créer des attributs spécifiques pour chacun.

Les systèmes d’E/S modernes utilisent des protocoles Ethernet ouverts. Quelques-uns de ces systèmes d’E/S peuvent tirer parti de la technologie commerciale PoE (Power over Ethernet) pour exploiter des E/S distantes et même des boucles d’alimentation. Les systèmes d’E/S disposent d’une configuration logicielle, car il est important de réguler le module d’E/S pour surveiller ou contrôler les liaisons de communication du système. Un adaptateur de communication est parfois nécessaire pour valider les modules d’E/S afin de converser avec un système de supervision.

Étant donné que l’Ethernet standard peut être utilisé pour mettre en réseau des systèmes d’E/S modernes et ne se limite pas aux communications maître-esclave, de nouvelles possibilités architecturales sont disponibles pour combler le fossé entre les réseaux câblés traditionnels et sans fil intelligents et entre les l’IIoT E/S. Ces systèmes peuvent associer le contrôle des E/S à des technologies informatiques intégrées pour convertir des esclaves distants en nœuds de données distribués. Même avec la quasi-omniprésence des équipements de terrain intelligents et des appareils IIoT, il existe une demande continue dans les installations nouvelles et héritées pour superviser et commander les points d’E/S câblés conventionnels. Dans les systèmes plus anciens, ils seraient connectés à un système d’E/S maîtrisé par un contrôleur. Les nouveaux systèmes d’E/S offrent des fonctionnalités flexibles pour faciliter la conception, l’installation et la maintenance, ce qui permet d’économiser du temps et de l’argent.

La dernière génération de systèmes d’E/S repousse les limites, offrant une plus grande connectivité via les réseaux Ethernet aux pairs, autres périphériques et systèmes logiciels, et n’étant pas liée à un seul maître. Ces nouvelles E/S permettent de créer des systèmes d’automatisation entièrement compatibles avec l’IIoT.

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Connectivité

La connectivité industrielle est vitale pour une intégration transparente des appareils. L’automatisation et le contrôle industriels dépendent fortement des câbles et des connecteurs pour transférer les données, l’alimentation et les commandes entre les machines industrielles, au sein de l’usine, sur le cloud et dans l’environnement informatique. Les environnements industriels exigent des besoins de conception de connectivité robustes, durables et à hautes performances. Ils doivent être résistants à l’huile, tolérer des températures élevées et fonctionner sans faille dans la chaîne de traction.

Le câblage est fondamental pour l’automatisation industrielle. Le câblage du protocole de communication dans un environnement de contrôle industriel présente des besoins particuliers. Les armoires électriques nécessitent des connecteurs industriels, des câbles de raccordement, un rail DIN, des borniers et une gestion des câbles. Les capteurs et les solénoïdes nécessitent des assemblages DIN M8, carrés ou M12, accompagnés de centres de distribution. Les assemblages RJ45 et M12-8 sont de plus en plus présents dans les ateliers en raison de l’adoption croissante des communications Ethernet. Même les applications sans fil ont besoin de fils pour les arrêts.

Un câble typique possède un conducteur, un blindage, une isolation et une gaine externe. Les câbles à paires torsadées non blindées (UTP pour Unshielded Twisted Pair) et les câbles à paires torsadées blindées (STP pour Shielded Twisted Pair) sont les deux principaux types de câbles pour les environnements industriels. Un câble blindé permet une transmission fluide du signal, car le blindage protège le câble des interférences radio externes et de fréquence d’alimentation, mais son coût est plus élevé que celui d’un câble blindé.

Les gaines thermorétractables protègent les câbles des produits chimiques et des conditions climatiques variées. Le produit polyvalent convient également au codage couleur, à la réduction de tension et au regroupement. Il est également utilisé comme réducteur de tension pour les points de dérivation, la transition connecteur-câble et le scellage du connecteur arrière. Des éléments thermorétractables sont également utilisés comme protection pour regrouper des fils ou des câbles lâches.

Les connecteurs industriels sont cruciaux dans de multiples applications, notamment les environnements d’usine, la machinerie, l’exploitation minière, l’exploration géophysique, la production/distribution d’énergie électrique, l’équipement agricole et plus encore. Les connecteurs robustes sont une solution configurable et polyvalente. Ils offrent une protection IP 69k maximale, 216 contacts et conviennent à une utilisation dans des environnements difficiles. Le courant nominal varie de 10 A à 200 A. Le système de connecteurs M8/M12 offre des connecteurs, des modules E/S et des assemblages de câbles complets.

La gamme de produits HDC (connecteurs robustes) de construction modulaire est hautement configurable et robuste, ce qui la rend idéale pour les applications de robotique et d’automatisation. Un tel agencement combine la puissance avec les technologies d’interfaçage établies. Les capots et les boîtiers offrent une orientation verticale et à angle droit des câbles et une protection IP65 à IP69k.

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Fiabilité des

Les systèmes de communication industrielle sont l’épine dorsale de toute architecture de système d’automatisation. Ils offrent une procédure robuste d’échange de données, de flexibilité et de contrôlabilité des données pour connecter de nombreux appareils, ainsi que pour gérer l’intégrité des données et le contrôle en temps réel dans des environnements exigeants sur des installations importantes. De manière constante, la mise en réseau industrielle a conduit à la mise en œuvre de protocoles de communication abondants entre les contrôleurs numériques, de nombreux outils logiciels liés à l’automatisation, des appareils de terrain et également des systèmes externes.

Un protocole de communication décrit les règles et les formats de messages numériques nécessaires pour échanger des messages entre les appareils. Ceux-ci sont exécutés à l’aide de canaux de communication sans fil ou filaires et font partie intégrante de tout système automatisé complexe. La plupart des systèmes automatisés modernes utilisent des réseaux de communication partagés numériques ayant différents types de protocoles, comme RS-485, PROFIBUS, EtherCAT PROFINET, contrôle CAN, Ethernet/IP, PowerLink, PROFINET, Modbus, Modbus™ TCP/IP, entre autres.

Les capteurs, divers contrôleurs (PLC, IHM, DCS) et les actionneurs sont les appareils de terrain situés en bas de l’échelle de l’automatisation industrielle. Les capteurs transmettent des informations de diagnostic, et les contrôleurs calculent ces signaux de commande conditionnels et les transmettent aux actionneurs. Les contrôleurs industriels, comme les PLC, les systèmes informatiques et les unités de contrôle distribuées constituent le niveau de contrôle et gèrent des tâches telles que la configuration des appareils d’automatisation, le chargement de toutes les données de variables de processus et de données de programme, la supervision du contrôle, l’ajustement des variables d’ensemble et l’archivage de l’historique.

Ethernet est une sorte de technologie de mise en réseau basée sur la proposition « maître-esclave ». Un réseau filaire est installé dans une zone locale à l’intérieur d’un bâtiment. Le réseau de niveau de contrôle en Ethernet industriel avec protocole TCP/IP relie les unités de contrôle aux ordinateurs.

Les réseaux locaux (LAN pour Local Area Networks) sont largement utilisés comme réseaux de communication pour réaliser les caractéristiques souhaitées. Les données Ethernet relient les couches à l’intérieur du réseau. Ils fonctionnent comme une couche physique et dictent les types de connecteurs, les signaux électriques et les vitesses de signalisation.

Les réseaux étendus (WAN pour Wide Area Networks) Ethernet sont couramment utilisés dans la planification d’usine et l’échange d’informations de gestion. Les WAN Ethernet utilisent la passerelle industrielle pour fonctionner comme des réseaux d’informations. Les technologies de communication sans fil sont idéales pour les solutions d’automatisation flexibles et efficaces et contournent les inconvénients du câblage et les connexions câblées associées. Plusieurs méthodes de communication sont envisagées en fonction de l’intervalle entre les points d’émission et les points de réception. Par exemple, GSM ou CDMA optent pour des distances plus longues, Bluetooth, Wireless HART Zigbee et Wi-Fi pour les plus courtes. Le Wi-Fi offre une bande passante élevée et s’intègre sans effort aux réseaux IP (Internet Protocol). Le Bluetooth englobe un large éventail de débits et de besoins en consommation d’énergie. La technologie Bluetooth basse énergie offre une capacité de positionnement en intérieur à partir de balises robustes alimentées par batterie qui peuvent fonctionner pendant plusieurs mois et jusqu’à un an.

Un réseau 5G est un atout clé dans une infrastructure d’automatisation industrielle, l’industrie manufacturière devant évoluer vers l’organisation distribuée de la production, avec des biens connectés (produits ayant une capacité de communication), des processus à faible consommation d’énergie, des robots collaboratifs et une logistique de fabrication intégrée. Un système d’entités d’utilisateur final réside au sommet de la structure en réseau, utilisant des services de communication de bout en bout facilités par le réseau 5G. Un tel réseau offre une communication horizontale à l’intérieur et à travers d’une structure verticale.

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Alimentation électrique

Les réseaux industriels d’alimentation électrique fournissent une tension d’alimentation fixe de 24 V DC hautement disponible dans les limites déterminées. La tension de sortie est générée à partir de différentes sources d’alimentation, notamment des réseaux AC et DC, une alimentation monophasée et triphasée jusqu’à 500 V AC.

Diverses sources d’alimentation sont nécessaires pour faire fonctionner les machines industrielles, généralement pour convertir le courant AC haute tension en courant DC basse tension afin d’alimenter les contrôleurs logiques programmables, les E/S et les appareils IHM. La différence entre l’alimentation utilisée dans les applications commerciales et les utilisations industrielles réside dans les applications critiques sur les sites de production de Classe 1 Division 2 (environnements potentiellement explosifs), ou même à des températures extrêmes allant de -40 °C à +70 °C.

Les alimentations à découpage (SMPS pour Switch-Mode Power Supplies) et les alimentations linéaires sont deux méthodes principales pour contrôler les alimentations DC régulées. Les SMPS très efficaces, compactes et légères présentent des facteurs de forme plus petits et une connexion parallèle directe via des MOSFET ORing intégrés. Elles transforment la puissance d’entrée AC en puissance haute fréquence en utilisant la commutation à grande vitesse des semi-conducteurs. Les SMPS fournissent des fonctionnalités enrichies pour améliorer la fiabilité des machines, la sécurité électrique et la redondance parallèle des composants et des systèmes auxiliaires. Au-delà de ces facteurs, les alimentations électriques industrielles peuvent pérenniser les capacités nécessaires à l’évolution de l’infrastructure de numérisation industrielle des usines intelligentes et des initiatives de l’Industrie 4.0.

Les alimentations AC-DC et les convertisseurs DC-DC sont disponibles dans plusieurs formats avec des tailles, des capacités et des formes variées, pour ne nommer que quelques exemples. Les applications finales peuvent nécessiter une combinaison de convertisseurs AC/DC et DC/DC ou de points de charges non isolés pour prendre en charge différents besoins d’alimentation, de système d’alimentation et d’isolation de sous-systèmes tels que l’électronique de commande, la charge de batteries et les ports de communication.

Les alimentations AC et les convertisseurs DC/DC sont intégrés dans l’équipement final avec des formats à cadre ouvert, à montage sur circuit imprimé, à montage sur châssis, refroidis par plaque de base ou fermés, ou peuvent être conçus pour des applications particulières. Des développements tels que les topologies résonnantes ZVS (Zero Voltage Switching – commutation à tension nulle) et ZCS (Zero Current Switching – commutation à courant nul), ainsi que les méthodes de redressement synchrone offrent une dissipation thermique réduite et une meilleure efficacité de conversion.

La sélection d’une alimentation doit tenir compte de nombreux facteurs, tels que les exigences de taille, les surintensités intégrées, les courts-circuits, la protection contre la surchauffe et la correction du facteur de puissance pour un fonctionnement dans des environnements dangereux. Les connecteurs d’alimentation industriels sont conçus pour fournir une alimentation sûre et fiable aux équipements dans des environnements difficiles et extrêmes. Différents modèles d’alimentation conformes aux normes UL, CSA et VDE ou aux normes EN sont disponibles.

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Sécurité et protection

La protection des circuits est un aspect capital pour toute installation industrielle. Il est essentiel de respecter les codes nationaux et de protéger l’équipement, les processus et les personnes de tout excès d’énergie qui pourrait causer des dégâts et des problèmes de sécurité.

Des appareils de protection fiables maintiennent et surveillent les environnements des systèmes sans nuire au fonctionnement normal. Les circuits de protection intégrés offrent des solutions robustes, faciles à mettre en œuvre et à hautes performances qui réagissent rapidement face aux événements dangereux (le cas échéant). Ces circuits sont compacts et écoénergétiques et assurent un fonctionnement régulier sur une période de temps plus longue, ce qui les rend inestimables dans les applications industrielles.

Surintensité ou toute condition anormale, qui peut être grave. Les conséquences comprennent une défaillance de l’isolation des conducteurs, des dommages matériels, des incendies, des blessures corporelles, des électrocutions et des pertes de biens. Un équipement subit une condition de surcharge lorsqu’il fonctionne au-dessus de sa valeur nominale de pleine charge, ou un conducteur fonctionne avec une intensité en excédent. Une surcharge persistante peut provoquer une accumulation de conditions thermiques dangereusement élevées dans les conducteurs et les charges de circuit. Les disjoncteurs sont utilisés comme assurance contre de telles conditions dangereuses.

Un court-circuit décrit une condition de surintensité où le courant dépasse le courant nominal à pleine charge du circuit et qui se produit dans une période relativement courte. Ce type de défaut est une conséquence du courant s’écartant de son trajet d’écoulement.

Les fusibles servent de maillon faible intentionnel dans un circuit électrique ou électronique. Ces appareils sensibles au courant offrent une protection fiable pour ces circuits dans des conditions de surintensité ou de surcharge. Le courant circulant à l’intérieur d’un fusible dans des conditions normales est d’une amplitude inférieure ou égale à son courant nominal. Dans tout défaut, le courant traversant le fusible augmente rapidement et ouvre le circuit.

Les appareils de protection contre les surintensités à coefficient de température positif (PTC pour Positive Temperature Coefficient) réagissent rapidement à une élévation de la température. Dans des conditions normales, ils ont une résistance minimale et donc un impact nominal sur un circuit. Un appareil PTC, dans son état de surintensité, passera de son état général de faible résistance à son état de résistance élevée, mais ensuite, en état de post-surintensité, l’appareil « se réinitialise » à son état normal de faible résistance.

Les surtensions sont l’une des principales raisons des pannes d’appareils électriques. Une surtension transitoire décrit une augmentation soudaine du flux d’énergie. Les surtensions transitoires proviennent de nombreuses sources, les plus courantes étant internes, telles que la commutation de charge et même le fonctionnement normal de l’équipement. Un appareil de protection contre les surtensions (SPD pour Surge Protection Device) est câblé en parallèle à son équipement protégé, de sorte que lors d’une surtension, il réduit son impédance en l’espace de quelques nanosecondes et, par conséquent, le courant d’impulsion est détourné.

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