WirelessHART : communication sans fil pour l'automatisation des procédés industriels

Dans la droite ligne de l’évolution technologique du bus de terrain, l’étape suivante du développement en matière de communication correspond aux nouvelles solutions mettant en œuvre une technologie radio. Bien que des solutions propriétaires aient été disponibles pendant un temps, une gamme plus étendue d’applications est toujours en suspens en raison d’un manque de confiance dans la technologie radio et de l’absence de systèmes intégrés. Une technologie radio peut-elle être utilisée à grande échelle, et si oui, quand ?

Soulignons tout d’abord que pour un transfert critique de données de mesure de sécurité et de données directement liées à la commande ou au contrôle du procédé, le câble représente la meilleure méthode disponible pour le transfert des signaux. Une solution qui repose sur un câblage doit toujours être préférée à une solution en technologie radio pour les applications critiques.

Mais si la construction de l’usine est telle que des applications non critiques ne justifient pas l’installation d’un câble, alors la technologie radio a un rôle à jouer.

Les solutions câblées ne sont pas toujours nécessaires dans les petites usines ou pour les unités logistiques où des produits intermédiaires sont entreposés, il se peut en effet qu’il n’y ait aucune instrumentation et donc aucun retour sur l’information du niveau des stocks. D’autre part, Les solutions câblées peuvent également avoir été écartées pour des raisons économiques car elles constitueraient un obstacle entre le système de commande et l’usine elle-même. Part contre, les mesures de niveau, actuellement prises manuellement, peuvent aisément être remplacées par une méthode radio. Dans ce cas, le transfert en temps réel n’est pas un impératif et si une valeur de niveau ne peut pas être transmise pendant un court instant, cela n’interfèrera pas avec le fonctionnement de l’usine.

Il existe également de nouvelles opportunités dans le domaine du contrôle de l’environnement. Citons l'exemple de la mesure de la corrosion qui fait appel au capteur CorrTran® MV de Pepperl+Fuchs. On utilise la mesure de la corrosion dans les zones critiques d’un navire ou d’un pipeline. Il est souvent extrêmement difficile d'accéder aux emplacements ou ceux-ci sont trop distants du système de commande. Il est possible d’installer avantageusement un capteur sans filCorrTran® MVet ceci sans aucun câblage additionnel. Dans ce cas, la sécurité de la transmission ne constitue pas un élément critique et dans la mesure où la corrosion survient de façon extrêmement lente, le facteur temps n’est pas critique non plus.

Une autre nouvelle possibilité réside dans le contrôle d’éléments d’exploitation commandés sur le terrain, tels que des vannes à bille. L'état de telles vannes était auparavant contrôlé visuellement au cours de contrôles exécutés par les employés. Toutefois, avec la transmission sans fil de la position de la vanne à bille, l’information de l’état de son positionnement est disponible à tout moment depuis la salle de commande. Les contrôles périodiques et la confirmation de la position correcte des vannes avant le démarrage de l’unité ne sont plus nécessaires. Il ne s'agit pas seulement d'économiser quelques euros de main-d’œuvre, le démarrage de l'usine est plus rapide et le rendement est plus élevé. Bien sûr, on peut appliquer cela à l’ensemble des autres paramètres d’état contrôlés manuellement, tels que la pression et la température.

La transmission radio peut également être utilisée pour l’assurance qualité et pour l’optimisation d’importants paramètres du procédé. Ces paramètres, typiquement moins critiques que la commande du procédé, sont souvent contrôlés temporairement, en cas de défaut par exemple, et sur les installations temporaires d’usine caractérisées par de moindres exigences ou des rotations de produits moins fréquentes.
Pour ces applications, la technologie sans fil participe à l’amélioration des informations sur l’état de l’usine, le flux des produits et le séquençage du procédé. Elle permet ainsi l’optimisation du procédé, de la gestion des équipements ; des décisions en matière de maintenance préventive peuvent être prises. La technologie sans fil permet la réalisation d’économies pour les usines des procédés.

Divers fournisseurs ont présenté des produits équipés d’une connexion sans fil depuis quelques années. Toutefois, cette solution est onéreuse à mettre en œuvre au sein d’une structure existante. Dans certains cas les liaisons ne sont possibles qu’entre deux points ou dans une seule direction de communication. De plus, la compatibilité entre les appareils de terrain des divers fabricants n’est pas assurée avec ces produits. Bien sûr des solutions sur mesure satisfaisant aux exigences spécifiques de l’utilisateur sont proposées mais celles-ci sont relativement coûteuses.
Les utilisateurs attendent d’un système radio qu’il soit :

• Pratique et simple à utiliser
• Disponible comme un produit standard auprès de nombreux fabricants
• Satisfaisant les besoins de l’industrie des procédés en termes de fiabilité de transmission et de gamme

Un tel système est désormais disponible auprès de la HART Communication Foundation sous la forme du WirelessHART.

Le protocole WirelessHART est construit sur la base du standard HART d’utilisation courante comme en témoignent les 20 millions d'appareils de terrain compatibles HART. Le HART était à l’origine conçu comme une extension de la boucle de courant 4 - 20 mA classique afin d’apporter aux appareils de terrain une plus grande fonctionnalité.

La prochaine étape de l’évolution du HART est arrivée. Le standard WirelessHART, sorti en septembre 2007, est directement basé sur le protocole HART mais est exempt de chemin de transfert physique. HART utilise la bande radio des 2,4 GHz - non soumise à un droit de licence et utilisée partout dans le monde - comme support de transfert de données pour plusieurs technologies radio, y compris le WLAN, le Bluetooth et le ZigBee. Afin d’éviter les collisions dans la bande de fréquences de 2,4 GHz, le WirelessHART exécute une recherche spécifique des canaux non utilisés au sein de cette bande de fréquence et contrôle sans cesse le brouillage mutuel des technologies radio.

WirelessHART utilise un réseau maillé non étoilé où toutes les stations radio forment un réseau dans lequel chaque station impliquée sert simultanément de source de signal et de répéteur. Le transmetteur d’origine envoie un message à son voisin le plus proche qui transmet à son tour le message jusqu’à ce que le message atteigne la station de base et le récepteur. De cette façon le réseau peut couvrir une vaste zone. De plus, des routes alternatives sont érigées dans la phase d’initialisation. Dans l’éventualité où le message ne peut pas être transmis sur un chemin particulier, par exemple en raison d’un obstacle ou d’un récepteur défectueux, le message est automatiquement dévié via une route alternative. Outre la couverture de vastes zones, la fiabilité de la transmission est accrue.

WirelessHART est une symbiose entre le protocole HART très utilisé et éprouvé d’une part et la nouvelle technologie radio - en tout cas pour la technologie des procédés - d’autre part. Outre l’utilisation bien connue du HART pour le paramétrage d’appareils, le HART a déjà été largement utilisé pour :

• le contrôle des données des instruments et du mesurande

• la gestion et l’optimisation des équipements

• la maintenance préventive

• le contrôle des performances

• la gestion de l’énergie

Les exigences requises pour ces applications en termes de disponibilité, de chemin de communication et de vitesse de transmission sont maintenues par la capacité des performances que peut offrir la technologie radio. Le concept WirelessHART offre la possibilité d’une intégration transparente dans une infrastructure existante, mais aussi une ouverture pour de nouvelles structures.

Actuellement Pepperl+Fuchs développe les appareils suivants :

Une passerelle WirelessHART qui gère le réseau sans fil et se raccorde à un système de commande ou un système SCADA via un bus de terrain. Les signaux des appareils de terrain sont reçus et transmis via le protocole bus adapté à celui du bus de terrain.

Un adaptateur WirelessHART qui forme l’autre extrémité du chemin de communication. Les appareils de terrain existants peuvent être équipés de cet adaptateur. Trois versions différentes sont prévues :

• Les adaptateurs alimentés par la boucle sont simplement intégrés à une boucle existante dont ils tirent l'énergie pour fonctionner. Le câblage existant est utilisé pour le transfert de signaux 4 à 20 mA classiques ; le HART est envoyé sans fil via l’adaptateur. Surtout, il constitue une alternative pour exploiter la capacité du HART des appareils de terrain déjà installés avec un risque minimal.

• Les adaptateurs autonomes qui alimentent l’appareil de terrain au moyen d’une batterie. A intervalles paramétrables, l’appareil de terrain est « réveillé », la valeur mesurée interrogée puis l’appareil de terrain est mis en veille. Les stations de mesure complètement autonomes sont donc possibles. En fonction des intervalles sélectionnés, une batterie peut fonctionner pendant plusieurs années.

• Une version avec alimentation externe permet d’obtenir l’énergie nécessaire pour l’appareil de terrain et l’adaptateur. Dans de nombreux cas, une alimentation externe est disponible sur le terrain, par exemple pour alimenter les pompes et les vannes. Si aucun appareil de terrain n’est relié, alors cette version peut également servir de routeur afin de rendre le réseau sans fil encore plus dense ou pour relayer une plus grande distance.
  

La technologie radio offre une meilleure utilisation des applications existantes et permet la réalisation de nouvelles applications économiques qui n’étaient pas possibles auparavant. WirelessHART est l'étape indispensable pour passer des solutions propriétaires à une norme générale pour la technologie des procédés et qui autorise d’utiliser la technologie radio sans avoir à arrêter le système. WirelessHART va ouvrir de nouvelles perspectives afin d’améliorer le contrôle qualité, le contrôle de la fabrication, afin d’optimiser l’organisation des usines et des procédés. Il s’agit d’une contribution très prometteuse pour le fonctionnement économique des usines des procédés.