Capteurs et processeurs convergent pour les applications industrielles

L'industrie 4.0 a parcouru un long chemin depuis que le mot à la mode a été inventé à la foire de Hanovre en 2011. Le voyage vers la fabrication intelligente se poursuit, mais ce qui a vraiment fait la différence ces dernières années, c'est le décollage de l'Internet des objets (IoT) et l'avènement de solutions d'intelligence artificielle (IA).

Ici, il convient de mentionner qu'en 2012, General Electric a inventé le terme Internet industriel pour une multitude d'appareils industriels connectés intelligemment pour créer des systèmes capables de surveiller, de collecter, d'échanger, d'analyser et de fournir des informations précieuses. Finalement, les notions d'Industrie 4.0 et d'Internet industriel ont commencé à converger, aboutissant à l'IoT industriel ou IIoT.

Quel que soit son nom, Industrie 4.0 ou IIoT, l'objectif sous-jacent est la réalisation de la quatrième révolution industrielle après la machine à vapeur, la bande transporteuse et les technologies de l'information (IT) assistées par l'électronique de pointe. Il porte l'automatisation de la fabrication et des processus à un tout nouveau niveau dans lequel les usines de demain construiront des systèmes connectés comprenant des capteurs, des actionneurs et des systèmes de contrôle, tous reliés via différents types de réseaux via le protocole Internet (IP).

Figure 1 :L'industrie 4.0 marque le prochain niveau de transformation numérique. (Image :Texas Instruments)

Ce qui accélère également le mouvement de l'Industrie 4.0, c'est l'intégration d'applications d'IA telles que la détection et la classification des défauts. La combinaison des technologies IoT et IA modifie la façon dont les ingénieurs peuvent gérer les données, diffuser des informations et prendre des décisions en temps réel dans les environnements de production. L'utilisation d'algorithmes d'apprentissage automatique et la gestion des processus par robot peuvent optimiser davantage la fabrication moderne avec d'énormes économies de coûts et d'heures de travail.

Une manifestation pratique de l'Industrie 4.0 peut être vue à l'usine de General Electric à Schenectady, New York. L'usine de fabrication de batteries sodium-nickel a installé plus de 10 000 capteurs répartis sur 180 000 pieds carrés d'espace de fabrication. Tous ces capteurs sont connectés via Ethernet haut débit.

Cela nous amène à l'un des éléments fondamentaux des conceptions de l'Industrie 4.0 :les capteurs connectés.

Internet des capteurs

Les capteurs connectés via des liaisons filaires ou sans fil constituent l'épine dorsale d'un système Industrie 4.0 ou IIoT. Les données de la machine que les capteurs fournissent au cloud peuvent optimiser la fabrication, prévoir les pannes, planifier la maintenance et réapprovisionner automatiquement les stocks.

La nouveauté des capteurs dans le domaine de l'Industrie 4.0 est la convergence de la localisation et de la communication pour créer des systèmes précis de localisation en intérieur. Cela permet aux usines de surveiller les outils en temps réel et de gérer leur utilisation par les travailleurs afin d'améliorer l'efficacité, la sûreté, la sécurité et le contrôle qualité sur les chaînes de montage.

Ces systèmes de haute précision et de localisation utilisent des solutions de capteurs sans fil intelligents. Prenons l'exemple de Smart Cab, que le fournisseur de capteurs Bosch a développé en collaboration avec CAB Concept Cluster (CCC) . Il intègre des caméras et des drones dans les véhicules agricoles et les transforme en centres de contrôle connectés sur le terrain.

Figure 2 :Au-delà de la fabrication intelligente, l'initiative Industrie 4.0 s'étend à d'autres domaines comme l'agriculture connectée. (Image :Groupe conceptuel CAB)

Cette solution fournit aux agriculteurs des images détaillées des conditions de récolte prises par des drones-caméras et ensuite traitées dans le cloud. Les drones à caméra peuvent également effectuer une reconnaissance d'objets pour avertir les agriculteurs des obstacles vivants comme les cerfs. De plus, les agriculteurs peuvent exécuter des fonctions spécifiques telles que l'ajustement des réglages des buses en fonction des conditions météorologiques ou du sol.

Bosch affirme également avoir amélioré la productivité de la fabrication de son système de freinage ABS/ESP dans son usine de Blaichach, en Allemagne, en enregistrant le mouvement des cylindres, les temps de cycle des pinces et les niveaux de température et de pression dans le processus de fabrication. Les données collectées à partir des étiquettes RFID sont transmises à des bases de données massives qui cartographient numériquement le flux interne de marchandises.

Puces Industrie 4.0

Les dispositifs à semi-conducteurs sont un autre ingrédient clé dans les conceptions de l'Industrie 4.0 et de l'IIoT. Cela inclut des processeurs pour l'informatique de pointe, de la mémoire pour le stockage de données, des convertisseurs de données et des puces de connectivité filaire ou sans fil pour la télédétection et les liens vers la plate-forme cloud.

Un exemple est le Sitara AM6x famille de processeurs de Texas Instruments (TI) qui permet des sous-systèmes de communications industrielles gigabit pour l'automatisation d'usine, les entraînements de moteur et l'infrastructure de réseau. Les processeurs sont construits autour de la convergence d'Ethernet et du trafic de données en temps réel sur un seul réseau. Et ils prennent en charge plusieurs protocoles, notamment les réseaux sensibles au temps (TSN), EtherCAT, Ethernet/IP et PROFINET

Figure 3 : un schéma fonctionnel du processeur multiprotocole Sitara AM6548, qui offre des débits en gigabits pour les normes de connectivité industrielle telles que TSN. (Image :Texas Instruments)

Ce processeur compatible TSN intègre un sous-système de microcontrôleur (MCU) à double cœur basé sur Arm Cortex-R5F qui peut fonctionner dans un mode de verrouillage optionnel et prend en charge la protection par code de correction d'erreurs (ECC) pour la mémoire sur puce et les doubles données externes. mémoire de débit (DDR). Ces fonctionnalités permettent au processeur de renforcer la sécurité et de réduire la complexité au niveau du système pour des applications telles que les automates programmables (PLC) et les entraînements de moteur multiaxes.

Les plates-formes de l'Industrie 4.0 exigent de plus en plus des automates hautes performances complétés par une connectivité sécurisée et des interfaces homme-machine (IHM). Il est également impératif que les API réduisent le facteur de forme et la chaîne de valeur du processus, tout en augmentant le nombre de canaux d'E/S, à la fois analogiques et numériques. Ces automates devront prendre en charge les nouveaux protocoles d'E/S tels que IO-Link .

De plus, l'avènement de puissantes solutions de système sur puce (SoC) permet la création de jumeaux numériques, qui associent des mondes virtuels et physiques et créent des pools de données qui cartographient et relient toutes les étapes de la fabrication industrielle. Ces systèmes cyber-physiques créent une copie virtuelle du monde physique et rendent ainsi la surveillance des processus physiques moins coûteuse et plus efficace.

Usine du futur

L'industrie 4.0 promet une renaissance dans le secteur de la fabrication avec des solutions et des services de capteurs de bout en bout. Il facilite des décisions plus intelligentes, augmente l'efficacité opérationnelle, améliore le rendement, augmente la productivité de l'ingénierie et améliore considérablement les performances de l'entreprise.

La réalité de l'Industrie 4.0 commence enfin à aller de l'avant avec une accélération de la disponibilité des capteurs IoT, des mégadonnées et des applications d'IA. Selon un rapport de Gartner Inc., en 2018, il y avait plus de 6 milliards d'appareils IoT sur le terrain, et ce nombre devrait atteindre plus de 20 milliards d'ici 2022.

L'usine du futur prend forme lentement mais sûrement avec des nœuds de traitement plus puissants, des processus de production plus automatisés et des outils d'analyse de données plus intelligents capables de traiter et d'analyser des quantités massives de données d'usine en temps quasi réel. Cela devient une réalité, une solution de capteur IoT à la fois.

>> Cet article a été initialement publié le notre site jumeau, Electronic Products :« Les capteurs IoT mettent l'industrie 4.0 au centre de l'intérêt commercial. »