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Industries

Dans le contexte économique actuel, l’optimisation des actifs industriels et la réduction des arrêts de production sont des outils stratégiques pour comprimer les coûts et maximiser la productivité. Aujourd’hui, les informations recueillies sur le terrain par l’instrumentation restent souvent lettre morte. Or elles pourraient être récupérées et mises à profit si, en sens inverse de la communication traditionnelle, une voie de retour était créée pour les renvoyer au système de contrôle-commande hôte. Il n’est pas rare que les instruments intègrent aujourd’hui le protocole Hart pour leur mise en service. L’avènement de standards sans fil, dont WirelessHARTTM, fut l’occasion pour ABB de développer un adaptateur ad hoc enfichable dans les équipements Hart existants pour assurer une voie de retour économique et sûre vers les applications de supervision d’actifs industriels, comme Asset Vision Professional (AVP) d’ABB.

Sans-fil industriel :débloquer l’informationL’adaptateur WirelessHARTTM d’ABBGareth Johnston

28 Revue ABB 4/2009

Sans-fil industriel : débloquer l’information

Industries

et à l’instrumentation elle-même (consommation de l’analyseur ou état de la sonde de l’analyseur) permettent de surveiller un procédé.

ConfigurationUne base de données gère le paramé-trage des instruments ou le suivi des interventions de maintenance.

La valeur de cette information blo-quée dans l’instrumentation dépendra beaucoup de l’équipement de produc-tion qu’elle mesure ou pilote, et des

performances de l’appareil lui-même. Certains analy-seurs, par exemple, contien-nent des fluides tampons autorisant un étalonnage périodique ; il faudra donc recharger ces réservoirs inter-médiaires, ce qui déclenchera une demande d’intervention. D’autres actifs industriels comportant des organes en mouvement (moteurs ou van-nes, par exemple) devront aussi être capables de pré-voir les besoins de mainte-nance en fonction de leur activité 2 .

On estime que seuls 10 % des 30 millions d’instru-ments Hart instal-lés depuis 1989 peuvent remonter leurs données vers le contrôle-commande.

Dans un monde industriel tout occupé à gérer la crise, l’attention se focalise sur la maintenance opportune des équipements de process. Il faut trouver les moyens de débloquer cette information de terrain, à moindres frais et

Surveillance du procédéCertains instruments comme les débit-mètres mesurent souvent d’autres données du procédé (comptage, den-sité, température . . .) qui sont toutes utiles à la surveillance du terrain.

Suivi d’étatLes problématiques liées au raccorde-ment du process (détection d’obstruc-tion dans une ligne d’impulsion pour la mesure de pression différentielle ou suivi de la « signature » des vannes de régulation pour surveiller leur état)

Le protocole Hart (Highway Addres-sable Remote Terminal) est utilisé

par les instruments de terrain pour rapatrier les mesures et diagnostics du procédé à des unités centrales « intelligentes » comme les systèmes de contrôle-commande distribué ou les équipements portables Hart. Ce protocole numérique met en œuvre une modulation par déplacement de fréquence qui superpose l’infor-mation numérique au 4–20 mA analo-gique. Les appareils Hart câblés peuvent se raccorder à des modules d’E/S 4–20 mA au sein d’un système de contrôle-commande doté ou non de capacités de communication sur Hart. De nos jours, Hart a la faveur des industriels du process, avec un parc installé mondial de quelque 30 mil-lions d’instruments 4–20 mA. Ce succès, qui tient en partie à sa coexistence avec la transmission 4–20 mA classi-que, se confirme malgré l’essor des bus de terrain, souvent jugés plus comple-xes 1 .

Libérer les liensHart est souvent utilisé pour la mise en service des instru-ments de terrain : un confi-gurateur portable Hart est connecté directement à l’ins-trument que l’on veut para-métrer (échelle de mesure, type de capteur . . .). Or, une fois l’appareil débranché, toutes les autres informations utiles de l’instrument restent sur place, inexploitées, faute de chemin pour les rapatrier à l’application hôte.

On estime ainsi que seule-ment 10 % des 30 millions d’instruments Hart installés depuis 19891) peuvent remon-ter leurs données vers le contrôle-commande. Ce canal de retour permettrait pour-tant aux personnels d’exploi-tation et de maintenance d’accéder à distance aux informations du terrain pour des fonctions qui utilisaient auparavant des moyens de communication dédiés.

Note1) A l’heure actuelle, 75 % des instru-

ments de process communiqueraient

sur Hart sans disposer, pour 90 %

d’entre eux, d’un accès distant au

contrôle-commande.

1 Principaux jalons du déploiement de Hart

1989 Protocole

HART

Gestion des actifs industriels

WirelessHART

> 30 millions

1,4 million

1990 1995 2000 2005 2010

Mill

ions

d’u

nité

s

30

15

0

Autres bus de terrain pour l’instrumentation

Standard industriel

12 millions

24 millions

2 Exemple de suivi d’état de vanne de régulation

Etat de maintenance surveillé par le positionneur de vanne ABB (référence TZIDC)

29Revue ABB 4/2009

Sans-fil industriel : débloquer l’information

Industries

Cette solution serait un moyen écono-mique de greffer à un réseau sans fil des instruments connectés en point à point pour ramener les données de production vers une application de gestion d’actifs industriels comme AVP. Avantages : L’ajout d’un accès distant point à point est économique et facilite la réalisation du projet par phases ;

L’utilisateur n’a pas à recâbler les armoires ni à consulter les schémas électriques : l’installation se fait à moindre risque.

WirelessHARTTM est devenu le premier standard de radiocom-munication industrielle.

La tentation Wi-FiPrendre appui sur un réseau sans fil existant, comme Wi-Fi (normes 802.11 g/n), semble de prime abord la meilleure solution. Pourtant, à la réflexion, elle s’avère problématique. Wi-Fi se prête bien au transfert de gros fichiers et à la mise en place d’un réseau bureautique professionnel ou domestique. Toutefois, l’industrie a des exigences bien plus strictes de robustesse, de sécurité et de fiabilité. Plusieurs zones d’ombre restent à éclaircir 5 : Wi-Fi est-il assez sûr ? Peut-il cohabiter avec d’autres réseaux sans fil ?

S’accommode-t-il des environne-ments changeants ?

Faut-il de nouveaux outils pour s’y connecter ?

Les expériences avec Wi-Fi sont sou-vent frustrantes, surtout à proximité d’autres réseaux interférents. Déplace-ment de véhicules et d’engins, réagen-cements (échafaudages, ajouts d’équi-pements) . . . : l’environnement radio d’un site industriel évolue souvent (quand ce n’est pas plusieurs fois par jour), le tout dans un espace hertzien limité. La transmission de données Hart sur Wi-Fi ne répond donc pas aux exigences industrielles2).

WirelessHARTTM comble ces lacunes en bâtissant plusieurs couches de sécurité, d’authentification des don-nées et de redondance des canaux de

sans risque, pour optimiser la disponi-bilité du site.

Saut d’obstaclesLe schéma classique d’une commande bâtie sur une boucle de courant 4–20 mA 3 se compose d’un contrô-leur d’automatismes et de modules d’E/S raccordés en fil à fil à une armoire de brassage qui les relie au terrain par un câble multibrin. L’ar-moire abrite également les alimenta-tions, protections ou isolations corres-pondantes. Pour accéder aux données Hart et communiquer avec le système de contrôle-commande, on équipe un multiplexeur Hart d’une liaison série. Le meilleur endroit pour installer ce multiplexeur est l’armoire de brassage dans laquelle on raccordera ensuite chaque signal d’instrument.

L’ajout d’un multiplexeur Hart à une installation existante est possible, mais il oblige à se poser certaines ques-tions : Dispose-t-on d’un schéma de câblage correct et à jour ?

L’armoire offre-t-elle assez de place ?

et à respecter quelques contraintes : A l’installation, ouvrir chaque boucle pour se raccorder au multi-plexeur.

Attendre éventuellement un arrêt du site.

Il faut équiper chaque instrument d’un adapta-teur sans fil pour récupé-rer l’information utile et la rapatrier au système de gestion d’équipements de production, comme Asset Vision Professional (AVP) d’ABB.

Autre possibilité : se doter d’un réseau sans fil pour transmettre les données Hart de chaque instrument au système hôte, aux fins de surveillance du pro-cédé. Il faut alors équiper chaque ins-trument d’un adaptateur sans fil pour récupérer l’information utile 4 . Celui-ci peut être alimenté directement par la liaison 4–20 mA ou par batterie, source locale ou photovoltaïque . . .

Notes2) Les trois mots d’ordre des industriels sont :

Sécurité

Fiabilité

Simplicité

3 Système de contrôle-commande câblé

Contrôle-commande

Régulateur/API

Armoire

4 Adaptateur WirelessHARTTM d’ABB

Adaptateur sans fil

5 Vulnérabilité du sans-fil sur Wi-Fi

Wi-Fi

Hôte

Wi-Fi

HART

Wi-Fi

HART

retour vers l’hôte. Ces fonctions font partie intégrante du standard pour sécuriser et fiabiliser les échanges entre équipements compatibles

30 Revue ABB 4/2009

Sans-fil industriel : débloquer l’information

Industries

maillée qui permet de multiplier les voies de transit de l’information vers la passerelle et l’hôte : si une liaison est coupée, le message est automati-quement dévié vers un autre chemin.

Quand il est interconnecté à des réseaux exploitant des fréquences similaires, WirelessHART emploie plusieurs techniques pour garantir l’acheminement du message tout en perturbant le moins possible ses voisins.

Saut de canalLe message change sans arrêt de fréquence, sur 15 canaux différents, pour contourner les autres réseaux 7 .

Détection et esquive de collisionsAvant de transmettre sa trame, l’émetteur « sonde » le canal hertzien sélectionné pour savoir si la voie est libre, évitant ainsi les collisions.

Brièveté des messagesLes messages WirelessHART n’occupent que 3 à 4 ms dans un créneau temporel de 10 ms.

SécuritéLes mécanismes de sécurité intégrés aux équipements WirelessHART 8 ne peuvent pas être désactivés. Ils s’ap-puient principalement sur le chiffrement (gestion de la confidentialité) et l’authentifi-cation. Les instruments WirelessHART d’ABB mettent en œuvre les techniques de sécurité suivantes : Codage des données à l’aide d’une clé de chiffre-ment différente quand le message « saute » d’une fréquence à l’autre dans le réseau maillé.

Authentification des don-nées pour s’assurer qu’elles ne sont pas modifiées par d’autres agents durant leur acheminement.

Identification des partici-pants au réseau, lors de leur rattachement, pour écarter les intrus.

intégrant les spécifications Wireless-HART.

WirelessHART est naturellement compatible avec les 30 millions d’instruments Hart 4–20 mA en place. Pour le mettre en œuvre, il suffit d’enficher un adaptateur alimenté par la boucle et d’actualiser les fichiers DD ou DTM des outils Hart existants.

FiabilitéLes équipements compatibles Wireless-HART bâtissent une architecture

WirelessHART. La création d’une solu-tion sans fil sur Hart est également rentable puisqu’elle utilise les mêmes outils de développement ; il suffit de mettre à jour les fichiers numériques DD (Device Description) et DTM (Device Type Manager) qui décrivent les nouveaux appareils Hart.

WirelessHARTTM pour l’instrumentation L’industrie des procédés est tradition-nellement prudente et attachée aux normes, gages de réduction des coûts et de choix éclairés. Les four-nisseurs d’instrumentation comme ABB affichent eux aussi une préférence pour la normalisation : il n’est donc pas étonnant que Wireless-HART soit devenu le premier standard de radiocommunica-tion industrielle, dans le cadre de Hart 73).

Le réseau WirelessHART est illustré en 6 . Le système de contrôle-commande est peu touché par cette évolution car il intègre déjà les spécifi-cations Hart. Un bus à haut débit est l’artère de commu-nication avec les passerelles WirelessHART situées sur le terrain, qui se chargent de bâtir et de déployer le réseau maillé sans fil reliant les ins-truments. Un configurateur portable Hart classique rac-corde les nouveaux instru-ments WirelessHART par la saisie d’une clé de chiffre-ment et d’un identifiant de réseau ; la courte liaison phy-sique entre portable et instru-ment sécurise ce paramé-trage.

WirelessHART a plusieurs stratégies pour satisfaire aux exigences de sécurité, de fiabilité et de simplicité de l’industriel ; ABB les applique à sa gamme d’instruments

7 Exemple de radiotransmissions industrielles

6 Réseau sans fil WirelessHARTTM

Application autonomede gestion d’équipementsde production

Bus haut débit(Modbus – FF – Ethernet)

Système 800xA

Réseau mailléWirelessHART

AdaptateurWirelessHART d’ABB

Configurateurportable

Notes3) Ultime version des spécifications Hart

assurant une totale rétrocompatibilité

avec les instruments et outils Hart

existants et des compléments fonc-

tionnels pour faciliter la mise en place

d’un réseau sans fil.

31Revue ABB 4/2009

Sans-fil industriel : débloquer l’information

Industries

ments d’information pour la recherche de défauts. Ces outils sont directement exploitables, sans modifier l’adaptateur WirelessHART.

Une fois installé, l’adapta-teur achemine les demandes d’information du système de gestion d’actifs vers l’ins-trument, puis renvoie la réponse 10 .

EssaisTous les appareils Wireless-HART tels que l’adaptateur d’ABB feront partie d’une architecture réseau ; il est donc primordial de tester leur conformité aux spécifi-cations HCF. Les produits WirelessHART d’ABB seront certifiés pour fonctionner dans des réseaux multicons-tructeurs et intégrer des

fonctions de fiabilité et de sécurité.

Le kit HCF de certification des appa-reils WirelessHART est disponible depuis mi-2009 ; il faudra donc atten-dre début 2010 pour réaliser les essais, régler les problèmes et dispo-ser d’équipements certifiés.

Site pilote : BASF BASF, en collaboration avec la NAMUR5), a voulu savoir si Wireless-

points de la boucle 4–20 mA, au niveau d’un presse-étoupe de câble libre sur l’instrument ou d’une connexion en T si un seul presse-étoupe est disponible. Sa petite taille facilite son montage dans un environ-nement encombré (raccordements pneumatiques aux vannes, par exem-ple) ; son antenne est amovible.

Consignes de mise en service : Raccordez l’adaptateur en série avec l’instrument.

Connectez un outil de configuration ou de gestion Hart classique (porta-ble ou AVP) au 4–20 mA et paramé-trez le couplage de l’adaptateur à l’instrument (clé de chiffrement + identifiant réseau).

Surveillez l’état de la connexion, puis débranchez le configurateur Hart.

L’adaptateur peut alors lire l’informa-tion de l’instrument et la renvoyer au contrôle-commande.

Domaines d’emploiL’adaptateur NHU200-WL s’utilise principalement avec les outils de ges-tion d’équipements (AVP d’ABB, par exemple) pour superviser la mainte-nance de l’instrumentation Encadré 1 . AVP intègre en effet des « contrôleurs d’actifs » qui vérifient l’état des instru-ments Hart et fournissent des complé-

Transmission des messages courts sur différents canaux, à chaque saut, pour empê-cher le repérage et l’inter-ception des données.

ABB a compris l’urgence de former les utilisateurs poten-tiels de WirelessHART et d’aider la Fondation Hart (HCF) à organiser et à animer des journées de promotion de cette technologie sans fil, dans le monde entier4).

Adaptateur NHU200-WLL’adaptateur NHU200-WL est le premier dispositif Wireless-HART d’ABB. Il permet aux équipes d’exploitation et de maintenance de libérer l’infor-mation bloquée dans l’instru-ment de terrain 9 . L’adapta-teur offre une grande facilité d’installation et d’emploi, grâce à sa compacité et à son alimentation écologique, sans batterie à entretenir ou à remplacer.

Mise en serviceL’adaptateur peut se raccorder en tous

Faible encombrement facilitant son montage dans des conditions difficiles.

Boîtier rotatif permettant d’orienter au mieux l’antenne et de simplifier l’installation.

Ecologique et économique : sans batterie.

Faible consommation électrique autori-sant l’installation de l’adaptateur à l’extrémité d’un long chemin de câble.

Intégration du protocole WirelessHART pour connecter des réseaux Wireless-HART existants à des équipements d’autres fournisseurs : coûts réduits, flexibilité accrue.

Accès à toutes les données du procédé et de la maintenance sur un instrument de la BC 4–20 mA.

Couplage avec AVP (ou autre applica-tion de gestion et supervision d’équi-pements) : accès à distance direct aux données recueillies par l’instrument (procédé et maintenance).

Utilisable avec les instruments d’ABB et d’autres fournisseurs.

Encadré 1 Points forts de l’adaptateur ABB

9 Adaptateur sans fil NHU200-WL d’ABB

Radio

Sto

rage

HART

Notes4) Pour connaître la date des prochaines journées

d’information dans votre région, rendez-vous sur

www.abb.com/instrumentation, inscrivez-vous et

suivez les liens Wireless Instrumentation, à droite

de l’écran. 5) Association internationale d’utilisateurs des techni-

ques de l’industrie de l’automatisation

8 Barrières de sécurité WirelessHART

MystificationDéni de service

Intrus

Attaque par saturation

Mystification

Confidentialité des données

Liste blanche

Bilans de santé

Saut de canal

Contrôle d’intégrité des messages

Liste

ns santé

Saut de canal d’intégrité

des messages

Mots de passe

Chiffrement

Répartition dans le temps

Chiffrement de la connexion

32 Revue ABB 4/2009

Sans-fil industriel : débloquer l’information

Industries

L’étude de la NAMUR ne se limite pas à WirelessHART. Elle entend parer à toute amorce de confrontation technico-commerciale entre les différents standards et conjuguer les avantages des deux camps, WirelessHART et ISA SP100.

Sans fil et sans limiteLe sans-fil industriel n’a pas vocation à détrôner le 4–20 mA ou tout autre bus numérique. WirelessHART a été développé pour compléter les réseaux câblés à l’installation délicate et aux coûts élevés, ou pour déployer avan-tageusement un second réseau de maintenance. ABB reste attentif à l’évolution des standards sans fil et continuera de fournir des produits collant aux besoins du marché.

Cet article s’est intéressé à l’implanta-tion d’un adaptateur sans fil pour compléter l’instrumentation en place d’un réseau sans fil de suivi d’état ou, dans certains cas, de surveillance du procédé. Les équipements libérés de tout « fil à la patte » et, donc, entière-ment autonomes du point de vue énergétique, donneraient matière à un autre article. Néanmoins, force est de constater que leur performance ne satisfait pas aux exigences du contrôle de procédés critiques et de l’interver-rouillage6). Principal grief : les équipe-ments sur batterie auraient un budget énergétique élevé pour des temps de rafraîchissement (bien que variables) de l’ordre de 30 secondes ou de plu-sieurs minutes.

Le sans-fil pour l’instrumentation a toute sa place à côté du filaire ; étudié de près, il peut bénéficier du soutien de fournisseurs comme ABB et tirer parti des résultats d’essais de la NAMUR ou de la fondation Hart.

Gareth Johnston

ABB Automation Products

St Neots (Royaume-Uni)

gareth.johnston@gb.abb.com

Note6) Cas dans lequel une valeur du procédé fait partie

de la séquence de commande.

Pepperl+Fuchs et Siemens, et raccordés à des systèmes de contrôle-commande ABB et Emerson. Pour certains essais, la NAMUR s’est appuyée sur sa recom-mandation NE124, intitulée Require-ments for Wireless Automation. ABB a participé à l’installation et à la mise en service du site Encadré 2 .

Les essais se sont déroulés en deux temps.

Phase 1 : essais en laboratoire sur l’interopérabilité, l’utilisabilité et les temps de réponse. D’autres tests étu-dieront la cohabitation de Wireless-HART avec des standards de radio-communication tels que les 802.11b/g/n régissant le Wi-Fi, par exemple.

Phase 2 : tests applicatifs portant sur l’installation et les performances opé-rationnelles de l’équipement au sein de plusieurs unités de production du site BASF de Ludwigshafen. Cette étape permet de valider la phase 1.

Les résultats de ces essais seront dis-ponibles au 4ème trimestre 2009.

Dans ce contexte, l’étude de la NAMUR sert de catalyseur aux fournisseurs d’instrumentation et organismes de normalisation pour élaborer une norme CEI commune et unique sur les réseaux de capteurs sans fil. Cette harmonisa-tion aidera les constructeurs et utilisa-teurs à mettre rapidement en œuvre des applications sans fil pour tirer parti de cette nouvelle technologie.

HART était le seul et unique standard pour la mesure et le contrôle- commande sans fil. Il a alors choisi son site allemand de Ludwigshafen pour installer et tester plusieurs réseaux WirelessHART dotés d’équipements multiconstructeurs, dont ceux d’ABB.

La campagne d’essais a débuté en juillet 2009 sur des prototypes d’équi-pements précertifiés, d’origine ABB, Emerson, Endress+Hauser, MacTek,

L’adaptateur en place

Etude de site pour identifier les problè-mes posés par le sans-fil et apporter des solutions à la conception du réseau

Aide à l’installation et à la planification Assistance sur site : visites, contrôles

de maintenance Assistance à distance : étude des

conditions de maintenance des instru-ments et conseils sur les actions à entreprendre

Encadré 2 Les services ABB dans le sans-fil industriel

10 Echanges bidirectionnels entre adaptateur sans fil et système de gestion d’actifs

Etape 1

Etape 2

Etape 3

Détection de défaut par l’instru-ment, déclenchement d’alarme

Remontée par AVP de l’alarme reçue de l’instrument sur le réseau WirelessHART

Connexion de l’équipe de maintenance ou de supportdistant pour diagnostic du défaut par outils Hart (ex. : fichiers DTM) et intervention

Rapport de défaut produit et transmis en fonction de la

gravité

Le logiciel AVP d’ABB assure la gestion et la supervision des équipements de production en réseau.