Les environnements industriels comptent parmi les contextes de déploiement de l’IoT les plus exigeants qui soient. La combinaison de structures en acier et en béton atténuant les ondes radio, des interférences électromagnétiques importantes provenant des variateurs de fréquence et des équipements de commutation à courant élevé, des cycles de température extrêmes dans certains environnements de production, des vibrations mécaniques continues générées par les machines de production, ainsi que les conséquences opérationnelles liées aux pannes d’appareils, crée un environnement de sélection du matériel dans lequel les appareils IoT grand public et de qualité commerciale ne sont pas à la hauteur.
Le choix des appareils pour les déploiements IoT dans le secteur industriel est une décision à variables multiples qui englobe les exigences liées à l’environnement physique, les caractéristiques du profil de données, le choix de la technologie de connectivité et les exigences d’intégration de l’écosystème d’automatisation industrielle au sein duquel les appareils doivent fonctionner. Une erreur sur l’une de ces variables conduit à des appareils qui tombent rapidement en panne, dont la connexion est instable ou qui génèrent des données que la plateforme de fabrication ne peut pas exploiter. Il est fréquent de se tromper sur la variable de connectivité, car les décisions en la matière sont souvent prises après que la sélection du matériel a déjà déterminé le format de l’appareil et la technologie radio, ce qui oblige l’architecture de connectivité à s’adapter à des choix qui ont été faits sans en tenir compte.
Cet article traite du cadre de sélection des appareils pour les déploiements IoT dans le secteur manufacturier, des exigences de connectivité imposées par les différentes catégories d’appareils, ainsi que des choix d’infrastructure qui déterminent si le déploiement s’intègre correctement à l’environnement de production qu’il est censé équiper.
Les exigences environnementales sont prioritaires
Le premier critère de sélection lors de la fabrication d'appareils IoT est l'environnement physique dans lequel l'appareil doit pouvoir fonctionner, et ce critère élimine une part plus importante de l'écosystème des appareils disponibles que ne le prévoient la plupart des équipes de déploiement.
Indice de protection contre la pénétration constitue la spécification de base pour tout appareil installé dans un environnement de production. Le système de classification IP de la norme CEI 60529 décrit la protection contre la pénétration de particules solides (premier chiffre) et de liquides (deuxième chiffre). Les environnements de production impliquant l’utilisation de fluides d’usinage, des procédures de nettoyage par rinçage, des conditions de processus à forte humidité ou une exposition à l’extérieur exigent généralement au minimum un indice IP65 : protection totale contre la poussière et protection contre les jets d’eau à basse pression provenant de toutes les directions. La fabrication de produits alimentaires et de boissons, qui implique des lavages réguliers à haute pression, nécessite un indice IP67 ou IP69K. Les appareils classés IP54 ou en dessous, ce qui correspond à la majorité des appareils IoT commerciaux, ne doivent pas être déployés dans des environnements de production sans un boîtier de protection permettant d’atteindre l’indice IP requis.
Plage de températures de fonctionnement élimine une deuxième catégorie d’appareils. La plage de température standard des appareils électroniques disponibles dans le commerce s’étend de 0 °C à +70 °C. Les environnements de fabrication dépassent souvent cette plage : les fonderies, les installations de traitement thermique, les fours industriels, les équipements extérieurs dans les climats froids et les environnements de transformation alimentaire réfrigérés présentent tous des températures de fonctionnement hors de la plage standard. Ces environnements nécessitent des appareils IoT de qualité industrielle conçus pour une plage de température étendue allant de -40 °C à +85 °C ou de -40 °C à +105 °C. Le déploiement d’appareils de qualité commerciale dans des environnements où la température sort de cette plage entraîne des taux de défaillance précoce qui ne peuvent être attribués à un mode de défaillance unique, mais qui sont systématiquement corrélés au dépassement des limites thermiques.
Résistance aux vibrations et aux chocs affecte tout appareil monté sur ou à proximité de machines de production. Les vibrations continues provenant des moteurs, des presses, des convoyeurs et des compresseurs dégradent au fil du temps les soudures, les contacts des connecteurs et les connexions des bacs SIM enfichables, d’une manière qui n’est pas visible de l’extérieur et qui ne provoque pas de défaillance immédiate. Le mode de défaillance se traduit par une connectivité intermittente qui s'aggrave progressivement au fil des mois, ce qui est difficile à diagnostiquer car l'appareil passe les tests fonctionnels lorsqu'il est à l'arrêt. Les appareils destinés à être montés dans des environnements soumis à de fortes vibrations doivent utiliser un format de carte SIM soudée MFF2 , des circuits imprimés dotés d'un revêtement conforme et des connecteurs conformes aux spécifications de résistance aux vibrations.
Tolérance aux interférences électromagnétiques (EMI) dans les environnements de production comportant d’importantes sources d’interférences électromagnétiques nécessite de prêter attention aux spécifications de blindage des appareils. Les variateurs de fréquence, les appareils de chauffage par induction, les équipements de soudage à l’arc et les démarreurs de gros moteurs génèrent tous des interférences électromagnétiques susceptibles d’affecter les performances radio et la précision des capteurs. Le choix des appareils doit tenir compte des indices d’immunité aux interférences électromagnétiques définis par les normes de la série CEI 61000-4 applicables à l’environnement d’installation.
Catégories d'appareils et leurs exigences en matière de connectivité
Les déploiements de l'IoT dans le secteur industriel couvrent plusieurs catégories d'appareils présentant des exigences de connectivité spécifiques, et l'évaluation catégorie par catégorie permet de déterminer l'architecture de connectivité de l'ensemble du déploiement.
Capteurs de surveillance de l'état installés sur les machines de production, notamment les capteurs de vibrations pour la détection des défauts de roulements, les capteurs d'émission acoustique pour l'usure des outils de coupe et les transformateurs de courant pour la surveillance de l'état des moteurs, présentent des exigences de connectivité dictées par le volume de données et le profil de latence de l'application de surveillance. Comme indiqué dans des travaux techniques antérieurs sur la connectivité des capteurs, cette catégorie se subdivise en :
- Capture de formes d'onde brutes à haute fréquence nécessitant une connexion 4G Cat-4 ou NR « 5G » pour une transmission directe vers le cloud, ou un traitement en périphérie avec transformation FFT avant transmission via LTE-M
- Transmission des caractéristiques spectrales traitées s'inscrivant dans une bande passante de - LTE, lorsque l'inférence des bords s'effectue localement
- Statistiques récapitulatives et système d'alerte basé sur des seuils pouvant fonctionner sur NB-IoT pour les applications de surveillance à très faible fréquence
Capteurs de surveillance environnementale et des processus mesurant la température, l’humidité, la pression, le débit et le niveau dans les environnements de production présentent des profils de données parfaitement adaptés aux technologies d’ LPWAN . NB-IoT Par exemple, l’ LTE-M avec configuration PSM offre l’autonomie de plusieurs années dont ont besoin les capteurs installés dans des endroits dépourvus d’accès pratique à l’alimentation électrique, tandis que les petites charges utiles, transmises de manière peu fréquente, issues de la surveillance environnementale s’adaptent parfaitement aux contraintes de bande passante d’ LPWAN . Les exigences en matière d’environnement physique pour cette catégorie sont souvent les plus strictes : les capteurs de température de procédé peuvent devoir fonctionner à des températures qui nécessitent des composants électroniques montés à distance avec des connexions de sondes isolées thermiquement.
Systèmes de contrôle qualité sur les chaînes de production utilisant la vision par ordinateur pour la détection des défauts, la vérification dimensionnelle ou la validation de l’assemblage comptent parmi les applications IoT nécessitant la plus grande bande passante dans le secteur manufacturier. Un poste de contrôle qualité équipé d'une caméra, capturant des images à la vitesse de la chaîne de production (qui peut atteindre plusieurs dizaines de pièces par minute dans la fabrication à grande vitesse), génère des volumes de données d'images qui nécessitent un traitement en périphérie avant que toute transmission cellulaire ne soit envisageable. Les besoins en connectivité des systèmes de contrôle qualité en production requièrent généralement une connexion à large bande passante entre le nœud de calcul en périphérie et le système d'exécution de la fabrication (MES) ou la plateforme cloud, où l'5G e NR ou l'Ethernet filaire constituent l'architecture appropriée, plutôt que le réseau cellulaire « LPWAN ».
Dispositifs de suivi des actifs et de l'outillage destinés aux outils de grande valeur, aux équipements fixes, aux assemblages en cours de fabrication et aux emballages consignés au sein d'un site de production doivent répondre à des exigences de connectivité dictées par la précision requise pour la localisation en intérieur et la consommation énergétique du format de l'appareil. La technologie Bluetooth Low Energy (BLE), associée à une infrastructure de passerelles BLE permettant d’agréger les données de localisation, est la technologie dominante pour le suivi des actifs en intérieur, à l’intérieur des limites d’un site. Pour les actifs qui se déplacent d’un site à l’autre ou entre un site et un client, les traceurs cellulaires dotés de la technologie « LTE-M » (M pour « mode économe en batterie ») sont adaptés aux segments en extérieur et en transit du parcours de l’actif.
Passerelles et appareils de calcul en périphérie qui agrègent les données provenant de plusieurs catégories de capteurs avant de les transmettre à la plateforme cloud sont les appareils présentant les exigences de connectivité les plus élevées dans de nombreuses architectures IoT industrielles. Le volume global de données provenant d’un réseau dense de capteurs peut nécessiter une connexion 4G Cat-4, NR « 5G » ou FWA pour la liaison entre la passerelle et le cloud, même lorsque les capteurs individuels connectés à la passerelle fonctionnent en mode « NB-IoT » ou « LTE-M». Le choix de la connectivité de la passerelle doit être basé sur le volume global de données en amont, et non sur le profil de données de chaque capteur.
L'intégration du protocole OT et l'écosystème de l'automatisation industrielle
Les appareils IoT destinés à l'industrie ne fonctionnent pas indépendamment de l'infrastructure d'automatisation industrielle existante. Les systèmes PLC, SCADA, DCS et MES qui régissent les opérations de production disposent de protocoles de communication établis auxquels les appareils IoT doivent s'intégrer ; le choix des appareils doit donc tenir compte de cette exigence d'intégration.
Les principaux protocoles de communication OT pertinents pour l'intégration de l'IoT dans le secteur manufacturier sont les suivants :
OPC UA (OPC Unified Architecture) est la norme actuelle pour un échange de données sécurisé et indépendant de toute plateforme dans le domaine de l’automatisation industrielle. Un appareil ou une passerelle IoT qui implémente un serveur OPC UA met les données de production à la disposition des clients OPC UA, notamment les plateformes MES, les systèmes d’historisation, les moteurs de jumeau numérique et les plateformes IoT dans le cloud qui implémentent des clients OPC UA, sans nécessiter de conversion de protocole personnalisée. Le choix des appareils pour les déploiements IoT dans le secteur de la fabrication qui doivent s’intégrer à une infrastructure OT moderne doit privilégier la prise en charge d’OPC UA comme exigence de connectivité, au même titre que la spécification radio cellulaire.
MQTT avec Sparkplug B est la couche de protocole IoT qui fait le pont entre les environnements OT et IT dans de nombreuses implémentations de l'IIoT. Sparkplug B définit une spécification de charge utile pour MQTT qui fournit le modèle de données structuré, la sémantique des certificats de naissance/décès et la gestion d'état requises par l'intégration de l'automatisation industrielle. Les passerelles IoT de périphérie qui implémentent Sparkplug B permettent aux plateformes cloud basées sur MQTT de consommer des données de fabrication dans un format qui conserve le contexte opérationnel suivi par l'environnement OT.
Modbus RTU et Modbus TCP restent largement utilisés dans les équipements de production et l’instrumentation existants. Les passerelles IoT dotées d’une fonctionnalité maître Modbus peuvent lire les registres des automates programmables, des variateurs et des instruments qui ne disposent pas d’interfaces de communication modernes, puis exposer ces données via OPC UA ou MQTT en vue d’une intégration dans le cloud. Le choix d’un appareil pour les déploiements nécessitant la connexion d’équipements existants implique d’évaluer la bibliothèque de protocoles de la passerelle, et pas seulement ses spécifications radio.
EtherNet/IP et PROFINET sont les protocoles Ethernet industriels dominants dans leurs écosystèmes respectifs. Les passerelles qui font le lien entre ces protocoles OT et les réseaux IP standard IT constituent le point d'intégration pour les déploiements IoT dans le secteur industriel, au sein d'environnements reposant sur une infrastructure d'automatisation Rockwell ou Siemens.
En matière de connectivité, l’intégration des protocoles OT implique que de nombreux déploiements IoT dans le secteur industriel tirent davantage parti d’une architecture centrée sur une passerelle, dans laquelle les appareils de terrain utilisent un réseau Ethernet industriel câblé ou des protocoles série pour se connecter à une passerelle, et où cette dernière assure à la fois l’intégration des protocoles OT et la connectivité cellulaire pour la transmission vers le cloud, plutôt que d’opter pour une connectivité cellulaire directe au niveau de chaque capteur. Cette architecture réduit le nombre de cartes SIM cellulaires au sein du déploiement, simplifie la gestion de la connectivité et concentre le matériel radio cellulaire dans une passerelle pouvant être choisie pour répondre à l’ensemble des exigences environnementales et électriques du site d’installation.
Réseaux cellulaires privés pour le secteur industriel
L'atelier de production est l'un des environnements de déploiement les plus stratégiques pour les réseaux privés LTE et 5G. Le choix des appareils destinés à l'IoT industriel doit donc tenir compte de la présence ou non d'une infrastructure cellulaire privée dans l'architecture de déploiement.
L'5G e privée dans le secteur manufacturier offre plusieurs fonctionnalités que les réseaux cellulaires publics partagés ne peuvent pas fournir :
- Latence déterministe avec des garanties de qualité de service permettant aux applications d’automatisation sensibles au temps, notamment la coordination robotique, la navigation des AGV et le contrôle en boucle fermée, de s’appuyer sur une connectivité cellulaire présentant des profils de latence comparables à ceux de l’Ethernet industriel câblé
- Traitement des données sur site où toutes les données IoT restent au sein du réseau de l'établissement sans transiter par l'infrastructure des opérateurs publics, ce qui répond aux exigences de sécurité des technologies opérationnelles interdisant que les données de fabrication quittent le réseau de l'usine
- Prise en charge d'une forte densité d'appareils à la densité de capteurs requise par les instruments de fabrication modernes, sans les conflits de spectre que connaissent les réseaux publics partagés dans les environnements à forte densité de périphériques
- Contrôle de la couverture où le réseau privé couvre précisément l'empreinte de l'installation sans déborder sur les installations voisines ni sur les espaces publics
Le choix des appareils destinés aux déploiements de réseaux cellulaires privés nécessite des appareils prenant en charge la bande NR spécifique 5G allouée au réseau privé, généralement le CBRS aux États-Unis (Citizens Broadband Radio Service, bande 48) ou un spectre dédié sur d’autres marchés, ce qui représente une spécification différente de celle prise en charge par les opérateurs publics 5G . Tous les appareils IoT commerciaux 5G ne prennent pas en charge le CBRS ou les configurations de spectre des réseaux privés ; cette exigence doit donc faire partie des critères de sélection du matériel avant l’acquisition des appareils.
L’infrastructure de connectivité de KORE prend en charge les architectures de réseaux cellulaires publics et de réseaux privés pour les déploiements IoT dans le secteur industriel. La plateforme « ConnectivityPro » gère les cartes SIM des réseaux publics grâce à plus de 40 partenariats avec des opérateurs et dans plus de 200 pays, pour les déploiements où le réseau cellulaire public constitue l’architecture de connectivité la plus adaptée. Parallèlement, les capacités de réseau privé de KORE prennent en charge les environnements industriels où l’ 5G sur site est le choix le plus approprié pour répondre aux exigences de latence, de sécurité et de couverture de l’activité. Avec plus de 21 millions de cartes SIM actives déployées dans les secteurs de l’industrie et de la fabrication, cette infrastructure reflète l’expérience opérationnelle acquise lors de déploiements IoT à grande échelle dans le secteur manufacturier, tous types d’installations et toutes zones géographiques confondus.
Le choix des périphériques : un choix d'architecture système
Le choix des appareils IoT destinés à la production relève d'une décision d'architecture système : le choix du format de l'appareil, de son indice de protection, de la technologie radio, de la prise en charge des protocoles OT et de la configuration de la connectivité détermine globalement si le déploiement apporte une valeur opérationnelle durable ou s'il engendre des coûts de maintenance et des lacunes dans les données qui compromettent la rentabilité du projet.
La séquence qui donne les meilleurs résultats est la même dans tous les déploiements IoT dans le secteur manufacturier qui fonctionnent bien :
- Définissez tout d'abord les exigences relatives à l'environnement physique, notamment l'indice de protection IP, la plage de températures, l'exposition aux vibrations et l'environnement électromagnétique.
- Définir le profil de données pour chaque catégorie d'appareils, notamment la taille de la charge utile, la fréquence de transmission, les exigences en matière de latence et le profil de mobilité
- Sélectionnez la technologie de connectivité pour chaque catégorie en fonction du profil de données et de l'infrastructure de connectivité disponible sur le site de déploiement
- Évaluer les exigences relatives à l'intégration du protocole OT et déterminer si une architecture centrée sur une passerelle ou une architecture cellulaire directe s'adapte le mieux à l'infrastructure d'automatisation existante
- Évaluer si un réseau cellulaire privé est adapté aux exigences de l'établissement en matière de latence, de sécurité et de couverture, et adapter les spécifications des appareils en conséquence
Le fait de respecter cet ordre des opérations avant que l'achat du matériel ne fixe définitivement les spécifications des appareils fait toute la différence entre un déploiement IoT dans le secteur industriel qui fonctionne comme prévu tout au long de son cycle de vie opérationnel et un déploiement nécessitant des mesures correctives coûteuses après la mise en service.
Si vous en êtes à la phase de conception d'un projet d'IoT industriel et que vous évaluez l'architecture de connectivité parallèlement au choix de votre matériel, n'hésitez pas à contacter un ingénieur en connectivité de KORE pour discuter des exigences en matière d'infrastructure réseau liées à votre parc d'appareils et à l'environnement de votre site.
Publié le 30 juin 2026