Une passerelle IoT industrielle est un appareil, ou un logiciel installé sur un petit ordinateur industriel, qui s’intercale entre les machines de l’atelier et les systèmes qui ont besoin de leurs données. Elle lit les valeurs des automates, des variateurs et des compteurs via les protocoles qu’ils utilisent, les traduit dans un format que comprennent l’informatique et le cloud, et les transmet de façon sécurisée, généralement sans que personne n’ait à modifier les machines elles-mêmes.

Si vous avez besoin des données de vos automates et de vos machines dans un tableau de bord, un historian ou un système de maintenance, la plupart des décisions pratiques concernent la passerelle. Quels protocoles doit-elle lire ? Quelle part du traitement doit se faire au plus près de la machine ? Et où la placer dans le réseau de l’usine pour qu’elle ne devienne pas le maillon faible ? Cet article répond à ces questions, dans cet ordre.

L’essentiel

  • Une passerelle lit d’un côté des protocoles industriels comme Modbus, OPC UA ou EtherNet/IP, et publie de l’autre les données, souvent en MQTT.
  • Elle met aussi les données en mémoire tampon quand la connexion tombe et garde le réseau de contrôle-commande fermé aux accès extérieurs.
  • L’edge computing sur la passerelle réduit les données brutes à haute fréquence aux valeurs qui comptent, avant qu’elles ne quittent l’usine.
  • Le matériel de passerelle pour l’usine est conçu pour les armoires électriques : rail DIN, 24 V CC, large plage de température, ports série et plusieurs ports Ethernet.

Comment fonctionne une passerelle IoT industrielle ?

Il suffit de suivre une valeur à travers une passerelle pour comprendre ses rôles. Imaginons que vous vouliez le courant moteur d’une extrudeuse, que son automate mesure déjà.

Le côté terrain (southbound) de la passerelle se connecte à la machine. Il dispose de pilotes pour les protocoles industriels : Modbus RTU sur une liaison série RS-485, Modbus TCP, OPC UA, EtherNet/IP, PROFINET ou des protocoles propres à un constructeur, comme Siemens S7. Vous le configurez pour lire le registre de l’automate ou le nœud OPC UA qui contient le courant moteur, et à quelle fréquence, par exemple une fois par seconde.

Ensuite, la passerelle donne un sens au nombre brut. Un registre Modbus peut contenir 1 523, qui, pour le programmeur de l’automate, correspond à 152,3 ampères. La passerelle applique la mise à l’échelle, ajoute un nom, une unité et un horodatage, et peut écarter ou combiner des valeurs selon les règles que vous définissez.

À ce stade, l’interrogation des automates (polling) demande un peu de soin. La capacité de communication d’un automate est partagée avec tout ce qui dialogue avec lui, y compris l’IHM et le SCADA. Lire deux cents registres dispersés une fois par seconde, une requête à la fois, peut ralentir ces autres connexions. Une bonne configuration de passerelle regroupe les registres voisins dans une seule requête, lit les valeurs qui évoluent lentement, comme les températures, à quelques secondes d’intervalle plutôt qu’à chaque cycle, et ne publie une valeur que lorsqu’elle varie de plus d’un seuil défini, appelé bande morte (deadband).

Vient ensuite le côté remontée (northbound), par où les données sortent. La plupart des passerelles modernes publient en MQTT, un protocole publish/subscribe léger dans lequel les appareils envoient des messages à un broker sous des topics nommés, et auquel tout système autorisé peut s’abonner. Certaines proposent aussi HTTPS, OPC UA pour d’autres systèmes de l’usine, ou Sparkplug B, une spécification qui normalise les topics et les payloads MQTT pour un usage industriel.

Deux autres tâches se déroulent discrètement en arrière-plan. La mise en mémoire tampon (store-and-forward) conserve les messages quand la connexion réseau tombe et les envoie, avec leur horodatage d’origine, quand elle revient. Et la sécurité : la passerelle ouvre des connexions sortantes chiffrées, si bien que rien à l’extérieur de l’usine n’a besoin d’un accès entrant.

Les passerelles existent sous de nombreuses formes : flux Node-RED sur un PC industriel, matériel Modbus2MQTT, Moxa ou Advantech, ou encore logiciels edge commerciaux comme Ignition Edge. Toutes se connectent à Kilo en dirigeant leur sortie MQTT vers un broker : soit MQTT cloud, que Kilo provisionne pour vous et qui n’accepte que des connexions chiffrées en TLS, soit votre propre broker via MQTT externe. Vous choisissez ensuite comment chaque message retrouve son appareil dans Kilo : par le topic ou par un identifiant d’appareil présent dans le payload JSON. Si vos machines exposent un serveur OPC UA, un pont qui s’abonne à ses nœuds et publie du JSON en MQTT est la voie habituelle pour connecter des équipements OPC UA de cette façon.

Comment concevoir un réseau IoT industriel

Un réseau IoT industriel doit faire deux choses qui tirent dans des directions opposées : sortir facilement les données de l’usine et protéger le système de contrôle-commande. Une architecture IoT industrielle en couches concilie les deux en décidant où se trouve chaque appareil et dans quel sens le trafic est autorisé à circuler.

L’organisation vers laquelle convergent la plupart des usines ressemble à ceci, de la machine vers l’extérieur :

  • Réseaux machine et cellule. Automates, variateurs, E/S déportées et IHM communiquent sur leur propre bus de terrain ou Ethernet industriel. C’est là que se fait le contrôle-commande en temps réel, et rien ici ne doit dépendre du cloud.
  • Réseau de contrôle-commande de l’usine. Les serveurs SCADA, les postes d’ingénierie et les systèmes au niveau des lignes relient les cellules. Des pare-feu le séparent du réseau bureautique.
  • DMZ industrielle. Une zone tampon entre le réseau de contrôle-commande et le réseau de l’entreprise. La passerelle se trouve souvent ici, ou à cheval sur la frontière avec un port réseau de chaque côté, pour pouvoir lire les données des contrôleurs et publier vers l’extérieur sans router de trafic entre les deux.
  • Réseau de l’entreprise et cloud. L’ERP, les systèmes de maintenance, les tableaux de bord et les plateformes cloud reçoivent les données.

Les règles de trafic découlent de cette organisation. La passerelle ouvre les connexions vers les contrôleurs côté intérieur et vers le broker côté extérieur ; rien à l’extérieur n’ouvre de connexion vers l’intérieur. Si un système cloud doit renvoyer une commande à un équipement, cette commande doit tout de même arriver par la connexion sortante de la passerelle, et c’est le contrôleur local de la machine qui décide de l’accepter ou non.

Les capteurs sans fil ajoutent un chemin parallèle. Les capteurs sur batterie qui surveillent les vibrations ou la température de machines anciennes remontent généralement leurs mesures à une passerelle LoRaWAN ou à une station de base mioty, qui transmet leurs messages à un serveur de réseau. Ce chemin ne touche jamais le réseau de contrôle-commande, et c’est l’une des raisons pour lesquelles le rééquipement des machines anciennes y a souvent recours.

Un bon moyen de vérifier la conception consiste à dessiner toutes les flèches sur une seule page : chaque appareil, le réseau sur lequel il se trouve et le sens dans lequel chaque connexion est ouverte. Si une flèche va d’internet vers le réseau de contrôle-commande, la conception est à revoir.

Edge computing vs cloud dans l’IoT industriel

En IoT industriel, l’edge computing consiste à traiter les données sur la passerelle ou à proximité, avant qu’elles ne quittent l’usine. Le cloud, ou un datacenter central, prend en charge ce qui nécessite les données de nombreuses machines ou de nombreux sites. La plupart des projets utilisent les deux : la vraie question est donc de savoir où placer chaque tâche.

Les données de vibration illustrent bien l’intérêt du traitement en edge. Un capteur de vibration échantillonné 10 000 fois par seconde produit 864 millions d’échantillons par jour. À deux octets par échantillon, cela représente environ 1,7 Go par jour pour un seul axe de mesure sur une seule machine. Envoyer tout cela dans le cloud pour une usine qui surveille une centaine de roulements n’est ni bon marché ni utile. Un équipement edge qui calcule la vitesse vibratoire efficace (RMS) et quelques valeurs spectrales une fois par minute envoie à la place 1 440 jeux de valeurs par jour, et conserve la forme d’onde brute en local pour l’analyste qui en aurait besoin.

Le même raisonnement s’applique aux valeurs de procédé ordinaires. Un niveau de cuve lu chaque seconde mais publié seulement quand il varie de plus de 0,5 % peut n’envoyer que quelques centaines de messages par jour au lieu de 86 400, sans rien perdre de ce sur quoi une personne agirait. Choisir ces bandes mortes signal par signal est l’un des réglages edge les plus utiles, et l’un de ceux qu’on laisse le plus souvent à leur valeur par défaut.

Tâche Plutôt en edge Plutôt dans le cloud
Réduire les signaux à haute fréquence à des indicateurs Oui
Mettre en mémoire tampon pendant les coupures réseau Oui
Réactions locales rapides (millisecondes) Oui, même si le contrôle-commande reste dans l’automate
Comparer des machines entre lignes et sites Oui
Historique long terme et reporting Oui
Alertes qui doivent joindre des personnes où qu’elles soient Oui
Mettre à jour la logique de nombreux sites à la fois Oui

Deux règles empiriques ressortent du tableau. Tout ce qui doit fonctionner quand internet est coupé relève de l’edge ou de l’automate. Tout ce qui demande une vue d’ensemble sur plusieurs machines, sites ou mois relève du niveau central. Les fonctions de sécurité ne relèvent ni de l’un ni de l’autre : elles restent dans des automates de sécurité dédiés.

De quel matériel IoT industriel avez-vous besoin ?

Le matériel IoT industriel d’un projet en usine se résume généralement à trois types d’appareils : des passerelles pour les équipements câblés, des capteurs pour ce qui n’est pas encore mesuré, et des passerelles radio pour les capteurs sans fil.

Pour une passerelle qui lit des automates, recherchez des caractéristiques adaptées à une armoire électrique plutôt qu’à un bureau :

  • un montage sur rail DIN et une entrée d’alimentation 24 V CC, pour qu’elle trouve sa place à côté de l’automate et partage son alimentation ;
  • une plage de température de fonctionnement adaptée à l’armoire, qui peut dépasser 50 °C dans une usine chaude ;
  • des ports série RS-485 pour les équipements Modbus RTU plus anciens, ainsi qu’au moins deux ports Ethernet pour garder séparés le réseau de contrôle-commande et le réseau sortant ;
  • assez de stockage pour conserver plusieurs jours de données en mémoire tampon pendant une coupure ;
  • un démarrage sécurisé (secure boot) et des mises à jour de firmware signées, pour que la passerelle ne puisse pas être reprogrammée à votre insu ;
  • un fabricant qui publie des mises à jour de sécurité pendant toute la durée de vie de l’appareil.

La passerelle n’a pas besoin d’être un boîtier dédié. Le logiciel de passerelle peut aussi tourner sur un PC industriel déjà présent dans l’armoire, ou dans une machine virtuelle sur un serveur de l’usine, ce qui convient aux sites qui ont standardisé leur parc sur une seule plateforme matérielle pour de nombreux usages. La contrepartie, c’est la question de la responsabilité : une passerelle dédiée a une seule tâche et un seul cycle de mises à jour, alors qu’un matériel partagé exige que l’OT et l’IT s’accordent sur qui applique les correctifs, et quand.

Beaucoup de machines ont aussi des signaux que personne ne mesure encore : la température d’un roulement, le niveau d’une cuve, l’état de marche d’un moteur. Pour ceux-là, les capteurs sans fil sur batterie évitent de tirer de nouveaux câbles, et une seule passerelle radio installée en hauteur dans la halle peut généralement couvrir tout un bâtiment.

Les équipements plus anciens qui ne parlent que Modbus peuvent aussi être connectés via de petits convertisseurs qui lisent leurs registres et transmettent les valeurs. Kilo Electronics propose des appareils Modbus pour ce type de connexion.

FAQ sur les passerelles IoT industrielles

Quelle est la différence entre une passerelle IIoT et un routeur ?

Un routeur achemine des paquets réseau d’un réseau à l’autre sans en comprendre le contenu. Une passerelle IIoT comprend les protocoles industriels : elle lit des valeurs précises sur les machines, les convertit, les étiquette et les publie dans un nouveau format. Certains appareils combinent les deux fonctions dans un seul boîtier.

Un automate peut-il servir de passerelle IoT industrielle ?

En partie. Beaucoup d’automates récents intègrent un serveur OPC UA ou un client MQTT et peuvent donc partager leurs données directement. Une passerelle séparée reste courante quand une usine compte des contrôleurs de plusieurs constructeurs ou de plusieurs générations, car elle offre un point de connexion unique et cohérent et laisse le processeur de l’automate se consacrer au contrôle-commande.

Les passerelles IoT industrielles prennent-elles en charge Sparkplug B ?

Beaucoup, oui. Sparkplug B, maintenu par l’Eclipse Foundation, définit une structure de topics, un format de payload binaire compact et des messages « birth » et « death » qui indiquent aux abonnés quand un appareil se connecte ou disparaît. Cette connaissance de l’état des appareils est son principal avantage sur le MQTT simple avec un JSON personnalisé.

Choisissez une machine dont l’automate expose déjà des données en Modbus TCP ou OPC UA, et installez à côté une passerelle qui publie quatre variables en MQTT : le courant moteur, la vitesse, une température et un code défaut. Affichez-les dans Kilo avec l’offre gratuite, puis débranchez pendant une heure le câble sortant de la passerelle et vérifiez si sa mémoire tampon envoie les mesures manquantes une fois la connexion rétablie.