CAPTEURS : DES ACTEURS ESSENTIELS DE LA RÉVOLUTION DE L'IIoT

Dans notre monde moderne hautement connecté, les capteurs sont partout : à la maison, au travail ou encore dans les loisirs. Impossible d'y échapper, même lorsque l'on est seul avec son téléphone portable : aujourd'hui, les smartphones de milieu de gamme sont équipés de plus d'une dizaine de capteurs.

Dans l'industrie, les capteurs sont aux avant-postes de la révolution numérique provoquée par les technologies reposant sur Internet et le phénomène de l'Industrie 4.0. En termes non techniques, un capteur est un dispositif qui mesure les données physiques de l'environnement (lumière, chaleur, humidité, pression, distance, mouvement, etc.) et les traduit en informations pouvant être lues et interprétées par l'homme, mais aussi de plus en plus par les machines. Si les capteurs peuvent être uniquement mécaniques ou électriques/électroniques (les exemples de capteurs mécaniques sont légion), aujourd'hui, la plupart sont de type électronique. Les capteurs électroniques peuvent être analogiques ou numériques. Si les premiers sont plus précis, les seconds ont des applications beaucoup plus diverses. Avec l'augmentation de la demande et la chute des prix, l'utilisation des capteurs explose dans le monde entier, sans se limiter aux applications industrielles.

Dans un récent rapport d'Allied Market Research, le marché mondial des capteurs était valorisé à 139 milliards de dollars en 2017 et devrait atteindre 287 milliards en 2025, avec un taux de croissance annuel moyen de 9,5 % entre 2019 et 2025. Selon le cabinet d'études Global Market Insights, le marché des capteurs industriels, qui a dépassé les 20 milliards de dollars en 2019, devrait afficher un taux de croissance annuel moyen de plus de 7 % entre 2020 et 2026, pour atteindre 30 milliards de dollars. Le nombre d'unités livrées dans le monde devrait atteindre 3 milliards d'ici 2026. Ce chiffre est révélateur du volume colossal de capteurs utilisés dans divers secteurs industriels, notamment les hydrocarbures, l'industrie manufacturière, l'énergie et la médecine, ce qui stimule la demande. Les avantages de cette prolifération sont nombreux, notamment une efficacité accrue, une productivité en hausse, de meilleures pratiques de maintenance et une réduction des temps d'arrêt. Pour ne citer qu'un exemple, l'utilisation croissante des capteurs dans le secteur de l'énergie renforce l'efficacité des réseaux électriques intelligents, élimine le gaspillage et conduit à une meilleure gestion de l'offre et de la demande.

De nombreux types de capteurs existent. Ceux-ci dépendent des valeurs mesurées : pression, température, humidité, débit, niveau, etc. Les capteurs ont toujours joué un rôle important dans l'automatisation industrielle, situé à la base de la pyramide d'automatisation classique avec la collecte de données auprès des équipements de terrain ou de l'atelier. Aujourd'hui, devenus intelligents, les capteurs sont au cœur de l'Internet industriel des objets (IIoT), qui repose essentiellement sur les données recueillies à tous les niveaux, mettant ainsi fin au concept de pyramide.

DE VÉRITABLES CATALYSEURS
En quoi les capteurs favorisent-ils la quatrième révolution industrielle, au juste ? L'un des principaux problèmes de la mise en œuvre de l'Industrie 4.0 et du concept de machines connectées est celui des anciens équipements et de leur intégration au sein de l'environnement intelligent. Pour le résoudre, les fabricants ont mis au point des solutions de détection rétrocompatibles. Ainsi, le capteur ABB Ability Smart Sensor convertit les moteurs, pompes et paliers traditionnels en équipements intelligents à connexion sans fil. Il mesure des paramètres essentiels à la surface de l'équipement, qui permettent d'obtenir des informations importantes sur l'état et les performances de ce dernier. L'utilisateur peut ainsi identifier les inefficacités de son système et réduire les risques liés à son utilisation et à sa maintenance.


ABB propose désormais un capteur intelligent pour les machines rotatives installées dans les zones dangereuses. (Ce modèle devait être lancé à l'occasion du salon de Hanovre 2020 prévu du 20 au 24 avril, qui a été annulé en raison de la pandémie de Covid-19.) Le champ d'application des capteurs intelligents d'ABB s'étend donc avec une nouvelle génération destinée aux groupes motopropulseurs dans les zones dangereuses. Les clients des secteurs de la chimie et des hydrocarbures peuvent désormais mettre en place un système de surveillance d'état économique dans un large éventail d'applications. « Notre nouvelle génération de capteurs intelligents fournit des données de qualité, qui permettent d'étendre les analyses poussées d'ABB aux zones dangereuses », déclare Teijo Kärnä, responsable produit mondial d'ABB Ability Smart Sensor. « Ces capteurs intelligents sont plus sensibles, ce qui permet aux clients d'identifier les problèmes plus tôt. Ils offrent également plus de capacités de surveillance, une portée de communication étendue et une autonomie exceptionnelle. »

L'autonomie de ce capteur est jusqu'à trois fois supérieure à celle de la plupart des modèles concurrents. Il est étanche à vie, avec un indice IP66/67, et peut être fixé directement sur l'équipement en quelques minutes à l'aide d'un simple support de montage. Le capteur communique avec les smartphones, tablettes, PC et passerelles industrielles via Bluetooth Low Energy ou WirelessHART. Le nouveau design de l'antenne a permis de multiplier la portée par trois ou quatre, ce qui signifie qu'une communication fiable est désormais possible sur quelques centaines de mètres (ligne de vue).


Dans le domaine des applications industrielles, en particulier celles des process, les capteurs doivent fonctionner dans toutes sortes d'environnements. Dernier-né de la gamme de capteurs intelligents de Rockwell Automation, le nouveau détecteur optoélectronique Allen-Bradley 42AF RightSight M30 a été conçu dans cette optique. Ce capteur offre une résistance environnementale accrue et une portée importante dans un boîtier vertical de taille moyenne. Sa polyvalence et ses performances sont parfaitement adaptées à de nombreuses applications exigeantes. « Notre nouveau détecteur optoélectronique a été conçu pour garantir une fiabilité accrue dans les environnements difficiles, où le risque de dépôt d'impuretés ou de particules indésirables sur la lentille est important », explique Adonis Evangelista, chef de produit chez Rockwell Automation. Intégrant la fonctionnalité IO-Link, ce capteur s'intègre facilement avec la solution The Connected Enterprise, l'architecture unifiée de Rockwell Automation pour les technologies informatiques et opérationnelles. Il transmet ses données et diagnostics directement à un système de commande pour limiter les périodes d’arrêt et renforcer la productivité. Grâce à cette capacité, ce capteur fournit des informations comme la puissance du signal, l’emplacement, des alarmes de proximité et un horodatage qui contribuent à garantir l'efficacité opérationnelle et à simplifier la maintenance. Visibles à 360 degrés, les voyants LED d'alimentation et d'état facilitent la configuration, la supervision et le dépannage.

Détecteur de surveillance d'état BCM de Balluff

La surveillance d'état est un autre domaine dans lequel les capteurs jouent un rôle essentiel. En contribuant à éviter les arrêts et pannes imprévus, le nouveau détecteur de surveillance d'état multifonction BCM de Balluff garantit l'efficacité et la fiabilité des opérations dans toute l'usine. Ce capteur intelligent fournit des informations sur l'état de l'équipement. Grâce à celles-ci, les opérateurs peuvent planifier la maintenance et les réparations, et automatiser des inspections traditionnellement manuelles et donc coûteuses. Ce dispositif joue aussi un rôle clé dans le cadre de l'IIoT, car il permet d'enregistrer, de traiter et d'interpréter l'état des machines, des usines et des composants associés. Le BCM capture diverses variables physiques telles que les vibrations, la température, l'humidité relative et la pression ambiante, les traite directement et transmet celles souhaitées à un système hôte via IO-Link. De plus, il surveille et communique son propre état grâce à ses fonctions intégrées d'auto-évaluation, de sorte que les opérateurs sont constamment informés de sa température interne, de son nombre d'heures de fonctionnement et de ses cycles de démarrage.

Capteur OMRON E2E NEXT (vue arrière)

L'environnement industriel est confronté à d'autres impondérables, comme les arrêts imprévus des installations et les périodes d'inactivité qui en découlent. Début 2019, OMRON Corporation a lancé 2 512 modèles de ses capteurs de proximité CC 3 fils de la série E2E NEXT. Dotés de fonctions IoT, ils affichent les plus importantes distances de détection au monde. Ces capteurs divisent par trois le risque d'arrêt soudain des installations. Ils détectent en outre les signes avant-coureurs de ces arrêts et en informent les utilisateurs via le réseau. D'après une tribune récemment publiée par OMRON Europe, l'association de capteurs intelligents et de contrôleurs de machine intégrant des algorithmes adaptatifs présente un potentiel considérable pour de futures avancées dans la maintenance prédictive et la production efficace en réseau, des composantes essentielles de l'Industrie 4.0. « Les entreprises manufacturières ont conscience que ces avancées présentent l'opportunité d'augmenter le taux de rendement global (TRG), de réduire les coûts et d'accroître la productivité », affirme Raul Carlavilla, chef de produit en charge des détecteurs optoélectroniques et capteurs intelligents chez OMRON Europe.

Capteur 3D LiDAR R2300 de Pepperl+Fuchs

Le nouveau capteur 3D LiDAR R2300 de Pepperl+Fuchs est une nouveauté intéressante. Il intègre la technologie PRT (Pulse Ranging Technology, télémétrie par impulsions) qui garantit des mesures fiables et extrêmement précises et des temps de réponse courts. Cette technologie mesure en permanence la distance de la cible en utilisant la vitesse de la lumière comme constante, tout en envoyant des impulsions de lumière extrêmement courtes, mais très puissantes, et en calculant le délai entre l'envoi et la réception d'une impulsion. La séparation mécanique entre les zones émettrices et réceptrices garantit une tolérance exceptionnellement élevée à la pollution. Avec 1 000 points par ligne et une fréquence de balayage de 50 kHz, le capteur 3D LiDAR couvre un large éventail d'applications d'automatisation industrielle. Par exemple, lorsqu'il est utilisé dans les véhicules autoguidés, il permet de suivre les objets et l'opérateur et d'éviter les collisions de manière fiable. Le détecteur optoélectronique surveille la zone située devant le véhicule, du sol aux jambes de l'opérateur. Celles-ci servent de point de référence pour déterminer le sens de déplacement de la personne et la suivre à une distance définie. Grâce à ses quatre plans de balayage et à son faisceau lumineux précis, le R2300 détecte les plus petits obstacles et garantit des processus sans heurts.

Autre acteur hautement expérimenté du développement de capteurs, la société allemande SICK AG avait également prévu de présenter son nouveau portefeuille de solutions pour l'intelligence des capteurs au salon de Hanovre 2020. SICK met l'accent sur les solutions permettant d'accéder directement aux données des capteurs, ce qui crée de la valeur ajoutée pour les processus métier. La technologie de deep learning joue un rôle essentiel dans la configuration rapide et facile des applications de capteurs en particulier. Fidèle à son slogan « Go Beyond », SICK cherche à repousser les limites. « Ces dernières années, nous nous sommes efforcés de simplifier considérablement l'exploitation des données acquises par les capteurs. De nombreuses solutions de détection ont été créées pour optimiser l'efficacité du fonctionnement des systèmes et process », explique Bernhard Müller, vice-président senior en charge de l'Industrie 4.0 chez SICK AG.

Configuration IO-Link standard - Informations d'automatisation

L'IMPORTANCE D'IO-LINK
Créée en 2006, IO-Link est une norme de communication permettant de connecter les capteurs et actionneurs intelligents à un système d'automatisation. Il s'agit de la première technologie d'E/S normalisée au monde (CEI 61131-9) pour la communication avec les capteurs et actionneurs. Selon l'IO-Link Consortium, l'organisme composé des principales entreprises utilisatrices de divers secteurs et des plus grands fournisseurs d'automatisation, cette liaison de communication point à point ultraperformante utilise l'habituel raccordement à trois fils des capteurs et des actionneurs, sans exigence supplémentaire concernant le matériau du câble. Ainsi, IO-Link n'est pas un bus de terrain, mais l'évolution naturelle de la technologie de connexion existante et éprouvée pour capteurs et actionneurs. L'IO-Link Consortium, qui compte plus de 120 entreprises, collabore également avec la Fondation OPC pour favoriser l'interopérabilité entre les équipements de diverses marques sur les différents réseaux industriels.

« Les protocoles ouverts comme IO-Link permettent aux capteurs et aux actionneurs d'échanger des données avec le contrôleur de la machine. Une communication bidirectionnelle est établie pour permettre le transfert des paramètres du contrôleur aux équipements et la lecture de l'état. Les capteurs et actionneurs peuvent communiquer davantage d'informations que des signaux de marche/arrêt ou des plages analogiques. Ils sont capables de fournir des informations avancées sur l'état et les diagnostics en communiquant leurs performances au contrôleur », détaille Raul Carlavilla. Le portail de Balluff décrit IO-Link comme un composant important de l'usine moderne et de la mise en œuvre de l'Industrie 4.0. Il transfère des données tout au long du processus de fabrication et permet une communication fluide entre les capteurs intelligents et Internet.

IO-Link offre une visibilité sur les erreurs et l'état de santé de chaque équipement, notamment les capteurs. Les utilisateurs peuvent ainsi consulter les activités du capteur et ses performances, des indicateurs précieux de l'efficacité d'une machine. En outre, les diagnostics étendus facilitent la détection des dysfonctionnements du capteur et l'identification du problème, en évitant de devoir arrêter la ligne ou la machine. Cela permet non seulement de réduire les interventions de réparation lorsque des problèmes surviennent, mais aussi d'optimiser les calendriers de maintenance des machines, ce qui se traduit par des économies et un renforcement de l'efficacité sur le long terme.

LES TENDANCES À VENIR
Vu le rôle essentiel de cet équipement dans tous les aspects de la vie moderne et toutes les sphères (domestique, commerciale et industrielle), il sera intéressant d'observer les tendances futures. Les capteurs poursuivront leur rôle de collecte de données, l'élargissant au fur et à mesure des innovations. Comme détaillé précédemment, chaque fabricant travaille à l'amélioration des capacités de ses capteurs, en étendant la distance de détection, en améliorant la résistance à l'environnement, en ajoutant des fonctions d'autodiagnostic, etc.

Capteurs plus intelligents aux capacités de collecte et d'analyse améliorées, capteurs multiparamètres, capteurs polyvalents, nez électroniques... Voilà quelques-unes des principales tendances concernant l'évolution des technologies de détection appliquées à l'IoT. Selon un rapport de Research and Markets sur les innovations en matière de capteurs, les capteurs propices à l'IoT doivent avoir une faible consommation d'énergie et un coût bas pour permettre des déploiements économiques à grande échelle, être compacts et discrets, offrir des fonctions d'autodiagnostic, d'auto-identification, d'auto-validation et d'auto-calibrage, nécessiter peu de maintenance et être capables de traiter les données pour réduire la charge pesant sur les passerelles, les automates et les ressources cloud.

À l'avenir, les capteurs joueront un rôle important dans les véhicules autonomes. La veille du Consumer Electronic Show (CES 2020) à Las Vegas en janvier dernier, Bosch a annoncé préparer la production de capteurs LiDAR longue portée, le tout premier système de détection et télémétrie par la lumière adapté à l'automobile. Cette technologie de mesure de distance par laser est indispensable aux fonctions de conduite aux niveaux SAE 3 à 5. Le nouveau capteur Bosch couvrira à la fois des distances longues et courtes, sur les autoroutes et en ville. En exploitant les économies d'échelle, Bosch veut réduire le prix de cette technologie sophistiquée et la rendre adaptée au marché de masse. « En comblant les lacunes en matière de capteurs, Bosch assure la viabilité de la conduite automatisée », explique Harald Kroeger, membre du comité de direction de Bosch.

Selon TE Connectivity, acteur majeur dans le domaine des capteurs, trois tendances essentielles se dégagent. La première est la miniaturisation : dans un monde de plus en plus connecté, le nombre de capteurs dans chaque application ne fera qu'augmenter. Par conséquent, un encombrement minime et une faible consommation électrique sont indispensables. La deuxième tendance est la numérisation. Face à la multiplication des applications dans le domaine de l'IoT, le passage au numérique est nécessaire pour des capteurs intelligents qui non seulement capturent des données de détection, mais les interprètent également pour un large éventail d'applications. La fusion des capteurs représente la troisième grande tendance. Comme pour la numérisation, l'intégration multicapteurs est directement liée à la prolifération de l'IoT.

« Les problématiques actuelles de l'industrie n'ont plus rien à voir avec l'automatisation traditionnelle, qui traite des systèmes de détection, de la logique et de l'ingénierie des actionneurs », estime Bernhard Müller. « Désormais, nos clients veulent considérablement augmenter l'efficacité de leurs process. Le capteur recueille des données, ce qui contribue à résoudre le problème et l'amène au niveau des données », résume M. Müller. La recherche de l'efficacité accrue ne fait que commencer.

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