Les enjeux de synchronisation horaire dans le secteur de l'industrie

Les besoins spécifiques de l’industrie

Les systèmes industriels sont souvent basés sur des suites d’évènements synchronisés, ce qui demande un horodatage précis et partagé par toutes les machines intervenant sur une tâche. Les besoins diffèrent selon le type de système.

Dans une usine de production, on voit par exemple trois types de systèmes.

• En premier, les lignes de production qui nécessitent une synchronisation plus ou moins précise entre machines (par exemple : remplir des contenants de liquides) ou encore une capacité d’horodatage fine (par exemple : le tagging de zero crossing).
• En second, on trouve les systèmes d’inspection et de monitoring (systèmes SCADA - Système de Contrôle et d’Acquisition de Données). Ces systèmes récoltent, agrègent et restituent toutes les données relatives aux opérations de l’usine. Pour avoir une vision cohérente et sincère de la réalité, il est indispensable d’avoir un service de distribution horaire la plus fiable possible.
• Le troisième type de système, est le système de contrôle global de l’usine. Il s’agit du système centralisé, qui utilise une horloge de référence primaire, qui permet de s’assurer que toutes les opérations sont effectuées en temps voulu et avec une traçabilité correcte. On parle ici d’opération au sens large : planification de production, analyse des performances OEE, gestion des flux, du personnel, de la qualité, de la maintenance, etc.

Enfin, comme dans toute organisation, il existe un besoin de synchronisation horaire pour toutes les opérations courantes de l’entreprise, comme par exemple, la journalisation des SI, le suivi comptable, la télécommunication, le contrôle d’accès, la vidéoprotection, etc.

Quel protocole de synchronisation horaire, pour quel besoin ?

Même si les grands types de systèmes industriels sont toujours les mêmes, ces dernières années, ils ont substantiellement évolué. Au départ, purement mécaniques, ils sont devenus électromécaniques, puis électroniques. Le futur de l’industrie se situe désormais dans des robots de production déportant leur capacité d’analyse, de stockage des informations et de communication sur le cloud, dans l’utilisation de drones pour l’inspection, la surveillance et le transport de matériel, et enfin dans l’utilisation de smart grids.

Le protocole de synchronisation horaire idéal pour l’industrie doit prendre en compte et arbitrer, de nombreux aspects :

• Synchronisation relative ou absolue. Dans de nombreux cas une synchronisation relative est suffisante. Pour cela, un serveur de temps va servir d’horloge de référence et tous les appareils industriels vont s’aligner sur son temps. Dans le cas où une référence absolue est nécessaire, on utilise généralement une horloge avec une source GPS. Le problème qui se pose alors est celui de la robustesse de ce système au-delà de la qualité des protocoles de synchronisation.
• Synchronisation par réseau sans-fil ou réseau Ethernet filaire. Les réseaux industriels sans fil ont des problématiques spécifiques. Il s’agit par exemple de réseaux de capteurs qui vont horodater des évènements observés pour les communiquer à un SCADA. Ces capteurs ont rarement une horloge interne et ont une dynamique de connexion et de gestion de l’énergie qui nécessite des protocoles spécialisés comme IEEE 802.14.4 (connu commercialement sous le nom de zigbee). La synchronisation sur un réseau IP filaire est plus balisée, et les protocoles pour la réaliser sont bien connus (NTP par exemple). Il en va de même pour tout ce qui est basé en Ethernet.
• Disponibilité des horloges. De nombreux systèmes industriels ont besoin d’une disponibilité sans faille au niveau des serveurs de temps. Certains protocoles, comme PTP, proposent des mécanismes pour améliorer la tolérance aux pannes (via les profils PTP) et des horloges de références alternatives pour diminuer les temps de switchover. D’autres, comme IEEE 802.1AS, séparent l’envoi des trames de synchronisation et de données pour diminuer le temps de basculement entre horloges.

Que faut-il utiliser ?

Que ce soit pour une synchronisation relative ou absolue, faire le choix d’un serveur de temps s’avère indispensable. Selon l’application, les critères de précision et d’interopérabilité déterminent la solution la plus adaptée.

D’un point de vue précision, le protocole PTP permet de synchroniser des équipements jusqu’à la dizaine de nanosecondes notamment pour des applications industrielles critiques. Sa mise en œuvre nécessite du matériel spécifique dédié pouvant contraindre le déploiement à grande échelle.

Avec une précision de l’ordre de la milliseconde, le protocole NTP répond quant à lui aux cas d’usages généraux. Son utilisation est adaptée aux applications regroupant plusieurs systèmes ou plusieurs unités de production.

En somme, il n’existe pas de solution unique permettant de tout faire. Une architecture de synchronisation horaire hybride doit donc être envisagée pour obtenir le meilleur ratio possible entre précision quand c’est nécessaire, et souplesse d’utilisation lorsque c’est possible.