Communications dans l'industrie 4.0

2021/07/26 Eneko Iradier - Doktoradutza aurreko ikertzailea Bilboko Ingeniaritza Eskolan (EHU) | Jon Montalban - Irakaslea Gipuzkoako Ingeniaritza Eskolan Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Au cours des derniers siècles, les révolutions industrielles ont marqué le rythme du développement technologique. La quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0) est en cours de développement. En particulier, les systèmes de communication sont les conducteurs de ce processus. Mais comment transformer les systèmes de communication traditionnels ? Comment sera l'industrie du futur ?

Regarder le passé

La capacité d'adaptation et d'évolution est l'une des caractéristiques qui caractérisent l'être humain. C'est pourquoi, au cours de l'histoire, nous avons vécu trois révolutions industrielles, fruit du développement de secteurs spécifiques. Plus précisément, la première révolution industrielle a été impulsée par le développement de l'usinage, la seconde par la production massive d'énergie électrique et le développement de l'industrie chimique et automobile, et la troisième par l'introduction de la microélectronique et des technologies de l'information dans les chaînes productives. Aujourd'hui, les nombreux progrès informatiques réalisés à ce jour, les nouveaux outils numériques développés et, surtout, l'automatisation des machines et des processus, nous situent au début de l'industrie 4.0. L'objectif de cette quatrième révolution industrielle est le développement d'usines intelligentes ou de smart-industry capables de planifier, prédire, contrôler et produire de manière autonome et intelligente, donnant une plus grande valeur au fonctionnement et à la chaîne de production.

Qu'est-ce que l'Industrie 4.0?

Les communications seront une caractéristique fondamentale de l'industrie 4.0. En fait, pour faciliter les usines intelligentes, il est nécessaire de former toutes les machines qui composent l'industrie pour communiquer et être interconnectées entre elles. Cependant, il existe certaines barrières qui entravent la mise en œuvre de ce type de communications.

Premièrement, la transition des câbles de communication vers les communications sans fil n'offre pas encore les garanties nécessaires. Traditionnellement, les communications industrielles ont été basées sur des systèmes filaires, mais ce type de communication ne convient pas pour augmenter la taille des réseaux ou donner de la mobilité aux équipements. C'est pourquoi les technologies sans fil sont les meilleures candidates, mais elles ne peuvent pas encore garantir la même solidité que les systèmes filaires.

D'autre part, un autre défi est l'environnement d'application en soi. Lieux d'application (ateliers, usines de production, etc.) sont des environnements généralement fermés, avec une grande variété d'équipements et avec une grande variété d'équipements métalliques de réflexion. Cette combinaison de facteurs fait que le signal reçu a beaucoup d'échos et est affecté par un canal de diffusion violente. Sans aucun doute, ces conditions de réception entravent les communications et posent le défi de concevoir des systèmes ultrasoniques adaptés à ces environnements.

Enfin, les bandes de fréquence utilisées dans les communications sans fil sont un autre défi majeur. La plupart des systèmes sans fil utilisent des bandes libres ISM (Industrial, Scientific and Medical). Ces bandes ont une forte concurrence, de sorte que les réseaux peuvent être obstrués, arrivant à une collision entre les paquets ou empêchant l'accès à certains ordinateurs.

Offre technologique actuelle

Tout d'abord, il convient de mentionner qu'il n'existe actuellement pas de normes ou de technologies qui définissent universellement les communications industrielles. Ainsi, selon l'application finale ou l'environnement, il existe différentes options technologiques.

WiFi est une solution très acceptée. Sans aucun doute, le principal argument pour stimuler cette technologie est son expansion actuelle, car toutes ou presque toutes les entreprises actuelles gèrent leur propre réseau WiFi. Par conséquent, l'intégration d'équipements automatisés dans ce réseau entraîne un coût moindre par rapport au déploiement d'un nouveau réseau exclusif. Cependant, cette technologie présente également ses inconvénients en n'établissant ni mécanismes ni déterminations qui garantissent la fiabilité des communications. C'est pourquoi de nombreuses recherches ont été menées pour renforcer ces deux points faibles, en développant des schémas temporaires qui coordonnent de manière ordonnée l'accès à l'environnement et établissent des mécanismes pour améliorer la solidité des communications, comme le renvoi de paquets ou la redondance.

Dans les postes supérieurs du classement des candidats, vous pouvez trouver Bluetooth, en particulier la solution Bluetooth Low Energy (BLE). Le BLE est une technologie orientée vers l'interconnexion des équipements où les nœuds se connectent avec des ordinateurs qui remplissent le rôle de maîtres. La solidité de cette solution est basée sur une faible consommation d'énergie, ce qui rend la technologie très intéressante pour les applications d'équipements à batterie comme les réseaux de capteurs. Cependant, par rapport au WiFi, la BLE a un taux de données inférieur (2 Mbps), ce qui limite les applications nécessitant peu de transfert d'informations.

Enfin, des systèmes mobiles de communication à large bande ont été proposés pour répondre à certains besoins. Parmi eux, l'utilisation de la quatrième génération de communications mobiles: Long Term Evolution (LTE), par exemple, utilisé pour soutenir les réseaux et les applications orientées Internet des objets (Internet of Things, IoT). Cette solution, appelée Narrow Band IoT, est basée, comme le BLE, sur la transmission de faibles taux de données pour servir un grand nombre d'utilisateurs.

Actuellement, la recherche se concentre sur la 5G, car la cinquième génération de communications mobiles a une modalité similaire aux exigences industrielles. Cependant, étant encore en phase de développement, il n'y a pas de travail expérimental qui marque le succès.

En regardant vers l'avenir

Aujourd'hui, le monde des radiocommunications avance à une vitesse imparable, notamment grâce à l'impulsion de la téléphonie mobile. En effet, au début de l'expansion de la technologie 5G, qui a récemment atteint les médias, les travaux sur la prochaine phase, connue dans le monde de la recherche comme l'appendice 6G, sont de plus en plus évidents. Le rythme de cette évolution constante ne peut pas s'étendre à tous les domaines, et les applications de l'industrie 4.0, par exemple, doivent marquer leur propre trajectoire. Par conséquent, comme mentionné ci-dessus, il reste encore à tester dans le domaine des communications industrielles certaines technologies déjà approuvées et législées dans le 5G.

Soulignons les techniques qui réduisent le délai (ou le temps de traitement) du signal. Parmi eux se distingue l'Edge Computing comme un modèle de changement qui peut être important dans ce domaine. En résumé, son objectif est de mener à l'extrême les travaux du réseau, c'est-à-dire près de la source dans laquelle les données ont été générées, en réduisant le temps nécessaire pour transporter l'information de bout en bout. D'autre part, le Cloud Computing, bien connu dans d'autres domaines, pourrait également avoir une importance dans les communications industrielles, mais pour cela il faudrait réduire les délais associés.

Outre les solutions précédemment citées et héritées des communications mobiles, d'autres technologies plus ambitieuses peuvent être pertinentes pour les communications industrielles sans fil. Dans la dernière année, selon la revue Nature, Intelligence artificielle (IA) est monté à la quatrième place parmi les termes de recherche les plus recherchés. Il n'est donc pas surprenant que cette quatrième révolution industrielle envisage son influence sur les systèmes de production et de distribution d'énergie, l'IoT et les capteurs, la surveillance du contrôle, etc. Cette liste permet également de localiser les radiocommunications sans fil. L'AA peut être très utile pour la planification des réseaux de communication des nouveaux ateliers. Jusqu'à présent, dans la planification traditionnelle, les émetteurs étaient considérés statiques, car les destinataires étaient les seuls appareils mobiles. Cependant, le nombre et la typologie d'appareils qui peuvent être connectés à une usine intelligente augmentent constamment (y compris les émetteurs), ce qui explique pourquoi la planification statique pour la couverture d'une future usine présente des limites évidentes. En outre, l'AA peut également contribuer à la faible protection des communications sans fil face à une attaque. Par exemple, des techniques AA permettent d'analyser le trafic en réseau et, à l'aide de modèles préalablement formés, d'identifier les possibles attaques malveillantes sur notre réseau, en analysant des variantes suspectes dans le trafic.

Par ailleurs, dans le domaine de l'industrie 4.0, les radiocommunications peuvent également être considérées comme un nouvel axe de sécurité physique. Des recherches publiées au cours des dernières années ont montré que les systèmes sans fil, en plus de transporter des informations, peuvent atteindre d'autres objectifs tels que le comptage de personnes dans une salle de classe ou déterminer l'activité de ces personnes. En définitive, pour y parvenir, il faut analyser statistiquement les changements du signal émis par la présence des personnes et dans le canal traversé. Dans un contexte où la technologie GPS ne peut pas être utilisée, elle peut être une solution optimale pour localiser et compter les travailleurs en cas de risque ou d'accident. Sans aucun doute, l'implantation de ce type de systèmes d'identification et son intégration avec les techniques AA décrites ci-dessus est une ligne de recherche indispensable pour le développement sûr de futurs ateliers intelligents.

Réflexions finales

L'industrie 4.0 est arrivée et nécessite une profonde transformation des communications sans fil. L'offre technologique actuelle a plusieurs candidats, mais aucun ne répond à toutes les exigences pour être le modèle à suivre. Par conséquent, le processus de recherche et de développement doit se poursuivre et se combiner avec des techniques perturbatrices qui améliorent la performance des technologies existantes pour apporter l'avenir au présent.

Bibliographie Bibliographie

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