Les capteurs IoT industriels sont les appareils de mesure que l’on fixe sur les machines et les utilités pour que leur état parvienne à un logiciel, sans que personne n’ait à faire le tour de l’atelier avec un bloc-notes. Pour les choisir, il faut faire correspondre trois choses : la défaillance que vous voulez détecter, la façon dont la mesure quitte la machine, et ce qui alimente le capteur pendant des années.

Un ingénieur d’usine aborde généralement cette question avec une liste de machines et un budget, et les capteurs en sont souvent la plus petite ligne. C’est un mauvais choix de réseau ou de source d’énergie qui transforme un pilote en casse-tête de maintenance : ce guide consacre donc autant de place à ces sujets qu’aux capteurs eux-mêmes.

L’essentiel

  • Partez de la défaillance que vous voulez détecter, puis choisissez la mesure : vibration pour les roulements et le balourd, température pour la surchauffe, courant pour la charge et l’état de marche, pression pour les problèmes de débit.
  • Les machines anciennes peuvent être surveillées avec des capteurs à pince ou à fixation magnétique, sans toucher à l’automate de la machine.
  • Les réseaux sans fil longue portée et basse consommation conviennent aux mesures qui évoluent lentement sur tout un site ; les liaisons filaires conviennent aux données rapides et aux machines qui disposent déjà d’une alimentation et d’un câblage à proximité.
  • L’autonomie de la batterie dépend surtout de la fréquence d’émission du capteur : l’intervalle d’envoi est donc autant une décision énergétique qu’une décision de surveillance.

Les différents types de capteurs de surveillance conditionnelle

Les capteurs de surveillance conditionnelle mesurent un signe physique de l’état de santé d’une machine. Les types courants couvrent la plupart des équipements d’une usine :

Type de capteur Ce qu’il mesure Problèmes qu’il révèle typiquement Montage typique
Vibration (accéléromètre) Accélération, souvent remontée sous forme de vitesse efficace (RMS) et de valeurs crête Balourd, désalignement, desserrage, usure des roulements Goujon, pastille adhésive ou aimant sur le palier
Température Température de surface ou de fluide Moteurs en surchauffe, refroidissement défaillant, frottements Sonde de contact, capteur à sangle ou infrarouge sans contact
Courant Courant électrique dans l’alimentation d’un moteur État de marche, surcharge, machine bloquée ou en manque de matière Pince ouvrante autour d’un conducteur de phase
Pression Pression de ligne ou pression différentielle Filtres colmatés, fuites, problèmes de pompe Raccord process fileté
Ultrasons Son à haute fréquence Dommages précoces aux roulements, fuites d’air comprimé, décharges électriques Sonde de contact ou microphone aérien
Qualité de l’huile Teneur en eau, particules, viscosité Lubrifiant contaminé ou dégradé Capteur en ligne dans le circuit de lubrification

Deux points pratiques n’apparaissent pas dans un tableau. D’abord, beaucoup de capteurs de vibration sans fil n’envoient pas la forme d’onde complète. Ils calculent à bord des valeurs de synthèse, comme la vitesse efficace et l’accélération crête, et transmettent celles-ci, car une forme d’onde brute représente beaucoup trop de données pour une radio basse consommation. Les valeurs de synthèse sont excellentes pour le suivi des tendances et les alertes ; un diagnostic de défaut détaillé nécessite un capteur ou un équipement edge capable de capturer la forme d’onde.

Ensuite, une mesure ne vaut que par l’endroit où elle est prise. Un capteur de vibration se place sur une partie rigide, près du roulement, et non sur un carter de ventilateur ou une tôle de capot mince. Une sonde de température sur la carcasse d’un moteur lit une valeur inférieure à celle des enroulements à l’intérieur : son seuil d’alarme doit donc tenir compte de cet écart.

Il est utile de partir d’une machine plutôt que du catalogue de capteurs. Prenons une pompe centrifuge entraînée par un moteur électrique via un accouplement. Le moteur a deux roulements, côté accouplement et côté opposé à l’accouplement, et la pompe en a deux autres. Une configuration de départ raisonnable comprend un capteur de vibration sur le roulement côté accouplement du moteur, un autre sur le roulement côté accouplement de la pompe, une mesure de température sur chacun de ces paliers (beaucoup de capteurs de vibration mesurent aussi la température) et une pince ampèremétrique sur l’alimentation du moteur. Cela fait trois appareils, qui couvrent à eux trois le balourd, le désalignement, l’usure des roulements, la surchauffe, et indiquent tout simplement si la pompe tourne.

Capteurs de surveillance pour machines anciennes

La plupart des usines font tourner des machines construites bien avant que quiconque ne pense à la connectivité. La bonne nouvelle, c’est que les capteurs de surveillance des machines peuvent être ajoutés sans ouvrir l’armoire de commande ni modifier le programme de l’automate, ce qui préserve les garanties et les homologations de sécurité.

Le kit de rééquipement habituel ressemble à ceci. Une pince ampèremétrique ouvrante autour d’une phase indique si une machine produit, tourne à vide ou est en surcharge, ce qui répond déjà aux questions sur le taux d’utilisation. Un accéléromètre à fixation magnétique sur chaque palier d’un moteur et d’une pompe critiques donne une tendance vibratoire. Un capteur de température à sangle sur un réducteur ou un réservoir hydraulique donne une tendance thermique. Aucun de ces capteurs ne demande de perçage, et tous peuvent être déplacés si le premier emplacement s’avère mauvais.

Pour comparer du matériel de surveillance de machines, vérifiez ces points par rapport à l’environnement réel plutôt qu’à la brochure :

  • la plage de mesure et la précision pour le signal réel, par exemple une plage de vibration qui couvre la vitesse de la machine ;
  • l’indice de protection contre le lavage, le liquide de refroidissement et la poussière ;
  • la température de fonctionnement, y compris celle de la surface la plus chaude avec laquelle le capteur est en contact ;
  • la certification pour les atmosphères explosives le cas échéant, comme l’homologation des équipements ATEX dans l’UE ;
  • la façon dont le capteur est configuré après l’installation, par exemple si son intervalle d’envoi peut être modifié à distance par radio.

Les capteurs de maintenance prédictive ne constituent pas une catégorie de matériel à part. Les mêmes accéléromètres et capteurs de température deviennent « prédictifs » quand leurs mesures sont suivies sur des mois et comparées à des seuils qui laissent le temps de planifier une réparation.

Réseaux de capteurs sans fil pour la surveillance d’usine

Les réseaux de capteurs sans fil pour la surveillance d’usine suppriment la partie la plus coûteuse d’un rééquipement : tirer des câbles dans une usine en fonctionnement. Chaque option convient à des données différentes.

Option Portée typique dans une usine Alimentation Données par message Usage adapté
Filaire 4–20 mA ou IO-Link Longueur du câble (IO-Link jusqu’à 20 m par port) Depuis l’armoire En continu Signaux rapides, machines proches d’une armoire
LoRaWAN De quelques centaines de mètres à quelques kilomètres par passerelle Batterie, souvent pendant des années De quelques octets à quelques dizaines d’octets Mesures périodiques sur tout un site
mioty Comparable à LoRaWAN Batterie, souvent pendant des années Petites charges utiles Très grands nombres de capteurs, sites bruyants en radio
Wi-Fi Quelques dizaines de mètres par point d’accès Secteur ou batterie rechargeable Élevées Formes d’onde, données à haute fréquence
Zigbee ou Bluetooth mesh Quelques dizaines de mètres par saut Batterie Faibles à moyennes Zones intérieures denses, courtes distances

Les halls d’usine sont un milieu difficile pour la radio. Les racks en acier, les machines et les murs en béton réfléchissent et bloquent les signaux, et les moteurs et les postes de soudage ajoutent du bruit électrique. Les technologies LPWAN longue portée comme LoRaWAN et mioty s’en sortent bien, car elles sacrifient du débit au profit de la robustesse : un petit message passe là où une liaison Wi-Fi aurait du mal. Avant d’acheter en volume, placez une passerelle en hauteur et au centre, emportez un capteur de test dans les pires recoins du hall et vérifiez la qualité du signal à chaque endroit. Refaites le parcours avec les machines en marche, car un hall en pleine production est électriquement plus bruyant que le même hall un dimanche calme, et un emplacement limite peut décrocher en charge.

La réglementation radio influe aussi sur la fréquence à laquelle un capteur peut émettre. En Europe, LoRaWAN utilise la bande des 868 MHz, où la plupart des sous-bandes n’autorisent un appareil à émettre que 1 % du temps. Pour un capteur qui envoie un message court toutes les quelques minutes, ce n’est pas du tout une contrainte, mais cela exclut LoRaWAN pour tout ce qui demande une mesure par seconde. Les projets qui ont besoin de données rapides doivent partir dès le départ sur une liaison filaire ou Wi-Fi.

Sur Kilo, le serveur de réseau LoRaWAN fait partie de la plateforme : une usine n’a donc besoin que de passerelles compatibles avec le protocole LoRa Basics Station. Les stations de base mioty se connectent soit à mioty intégré à Kilo Cloud, soit au Kilo mioty Service Center open source que vous hébergez vous-même. Dans les deux cas, les mesures des capteurs de maintenance prédictive installés sur les pompes et les moteurs arrivent dans les mêmes tableaux de bord, avec la tendance vibratoire et thermique de chaque machine affichée à côté des autres.

Comment alimenter en continu les capteurs de surveillance en usine ?

L’alimentation permanente des capteurs de surveillance en usine provient de quatre sources, et l’emplacement de chaque capteur fait généralement le choix à votre place.

Les batteries sont la solution par défaut pour les rééquipements sans fil. Les capteurs industriels longue durée utilisent souvent des piles lithium-chlorure de thionyle, qui conservent leur charge pendant des années mais perdent de la capacité dans le grand froid. L’autonomie de la batterie dépend surtout des émissions. Supposons que la fiche technique d’un capteur annonce huit ans à raison d’un envoi par heure, et qu’à ce rythme les émissions consomment 70 % de son énergie et la veille 30 %. Passez à un envoi toutes les dix minutes et la part des émissions est multipliée par six : 0,3 + 0,7 × 6 = 4,5 fois l’énergie journalière, si bien que la batterie dure environ 8 ÷ 4,5 ≈ 1,8 an. Les chiffres sont inventés, mais le principe vaut pour la plupart des capteurs basse consommation.

L’alimentation secteur ou 24 V CC est pertinente quand le capteur se trouve à côté d’une armoire électrique qui dispose déjà d’une alimentation, et pour les capteurs qui échantillonnent vite ou envoient un flux de données continu. Le 24 V CC industriel est l’alimentation standard des équipements de terrain : un capteur ou une passerelle installé dans une armoire peut donc généralement la partager.

L’alimentation par Ethernet (PoE) fait passer l’énergie et les données sur un seul câble. La norme IEEE 802.3af fournit jusqu’à 15,4 W au port du switch, ce qui suffit pour la plupart des capteurs, équipements edge et passerelles, et les versions ultérieures en fournissent davantage. Le problème, c’est le câble lui-même : chaque appareil PoE a besoin de son propre câble jusqu’à un switch, si bien que le PoE est rentable pour une passerelle ou une caméra au plafond du hall, et beaucoup moins pour vingt capteurs dispersés sur les machines.

La récupération d’énergie (energy harvesting) alimente un capteur à partir de son environnement : vibrations, écarts de température ou lumière. Elle convient aux machines qui tournent en permanence, mais un capteur qui dépend des vibrations de la machine cesse d’émettre quand la machine s’arrête : vérifiez donc si vous avez besoin de mesures pendant les arrêts.

Les remplacements de batteries se gèrent plus facilement comme des travaux de maintenance planifiés. Notez la date d’installation et l’intervalle d’envoi de chaque capteur, et planifiez les remplacements par zone quand les premiers capteurs approchent de leur durée de vie prévue. Un capteur placé dans un point chaud, par exemple au-dessus d’un four ou d’un compresseur, peut s’épuiser plus tôt que ne l’indique sa fiche technique, car la chimie des batteries est sensible à la température dans les deux sens.

FAQ sur les capteurs IoT industriels

Que signifie IP67 pour un capteur IoT industriel ?

IP67 est un indice défini par la norme IEC 60529. Le 6 signifie que le boîtier est étanche à la poussière, et le 7 qu’il résiste à une immersion temporaire dans l’eau jusqu’à 1 m de profondeur pendant 30 minutes. Il ne couvre pas le lavage à haute pression, qui relève de l’indice IP69K.

Les capteurs IoT industriels ont-ils besoin d’une passerelle ?

La plupart des capteurs sans fil, oui. Les capteurs LoRaWAN communiquent avec une passerelle LoRaWAN et les capteurs mioty avec une station de base, qui transmettent les messages à un serveur de réseau par Ethernet, Wi-Fi ou une autre liaison de collecte. Une passerelle peut desservir des centaines de capteurs : un hall en demande donc rarement plus d’une ou deux.

Peut-on raccorder des capteurs IoT industriels à un automate existant ?

Oui, si l’automate a des entrées libres. Un capteur filaire avec une sortie 4–20 mA peut se brancher directement sur une carte d’entrées analogiques, et l’automate partage ensuite cette valeur avec le SCADA ou une passerelle edge comme n’importe quel autre signal. Les capteurs sans fil contournent généralement l’automate et remontent leurs mesures à leur propre réseau.

Choisissez la pompe ou le moteur dont les pannes coûtent le plus cher et équipez-le des trois appareils de départ de l’exemple de la pompe, puis ajoutez deux capteurs de vibration sur la machine suivante de la ligne et affichez les deux machines sur un même tableau de bord. Ces cinq capteurs tiennent dans l’offre gratuite de Kilo. Kilo Electronics propose des capteurs d’accélération pour ce type de rééquipement, et les capteurs d’autres fournisseurs fonctionnent aussi, du moment qu’ils utilisent une connexion prise en charge.