API de sécurité vs API standard : guide de l'ingénieur

Cet article donne une évaluation approfondie des principes fondamentaux de la sécurité Automates programmables. Grâce à une comparaison multidimensionnelle avec les PLC conventionnels, il expose leurs principes de disposition uniques, notamment la redondance, la diversité et l'autodiagnostic.

À l’aide de tableaux complets et d’analyses d’informations, nous expliquerons clairement pourquoi le choix d’un automate de sécurité pour les applications essentielles n’est pas une dépense supplémentaire, mais un investissement essentiel de type « ceinture de sécurité » pour sécuriser les employés, les outils et la continuité de la production.

À l’ère de l’automatisation, sommes-nous vraiment « en sécurité » ?

Avec l'essor du Secteur 4.0 et de la fabrication intelligente, les automates programmables (API) sont devenus la base des systèmes d'automatisation des installations de production modernes. Du simple contrôle des lignes de production à la coopération robotique complexe, les API dynamisent la production mondiale grâce à leur efficacité et leur flexibilité.

Néanmoins, lorsqu’un système de contrôle subit une défaillance inattendue, les effets peuvent être encore plus extrêmes que prévu, allant de dommages coûteux aux équipements et d’arrêts de production à des blessures irréversibles aux travailleurs.

Cela soulève une question cruciale : le PLC sur lequel vous comptez peut-il amener le système à un état sûr de manière fiable lorsqu'une menace survient ?

C'est précisément là que réside la différence entre un automate programmable industriel (API) conventionnel et un API de sécurité. Beaucoup perçoivent un API de sécurité comme un simple « API plus fiable », mais cette vision ne fait qu'effleurer la surface.

En réalité, un automate programmable industriel (API) est un système de contrôle spécialisé, conçu selon les principes de « sécurité pratique ». Son objectif n'est pas seulement d'exécuter une tâche, mais surtout d'assurer la sécurité en toutes circonstances, y compris en cas de dysfonctionnement.

Cet article démystifiera certainement l’automate de sécurité et expliquera pourquoi il est crucial dans l’architecture d’automatisation moderne.

1. L'objectif principal d'un PLC d'exigences

Avant de nous plonger dans les API de sécurité, il convient de définir la fonction d'un API standard. Un API standard est conçu pour mettre en œuvre efficacement et correctement un raisonnement programmé par l'utilisateur. Son objectif principal est d'assurer la fonctionnalité et d'accroître l'efficacité.

• Mode opératoire : Il reçoit des signaux provenant de capteurs et de périphériques d'entrée, effectue des opérations logiques basées sur un programme prédéfini, puis conduit actionneurs (par exemple, moteurs, tubes cylindriques, obturateurs) pour effectuer des actions données.
• Objectifs de style : Il recherche des cycles de contrôle plus rapides, une plus grande puissance de traitement, une mémoire plus grande et des interfaces de communication beaucoup plus étendues.
• Gestion des pannes : Lorsqu'un automate programmable industriel (API) cesse de fonctionner (par exemple, erreur de processeur, corruption de mémoire), son état de fonctionnement peut devenir imprévisible. Il peut désactiver ses sorties, maintenir l'état précédent le défaut ou générer des signaux de résultat erronés. Dans le secteur industriel, ce comportement est très dangereux.

En bref, un PLC ordinaire est un « administrateur » exceptionnel, mais il n’est pas un « tuteur » certifié.

2. L'automate programmable de sécurité : un gardien né pour un fonctionnement « sûr »

Contrairement à un PLC conventionnel, l'approche de style d'un PLC de sécurité et de sûreté place la sécurité comme la priorité absolue dès le départ.

Il répond à des critères internationaux stricts de sécurité et de sûreté, tels que CEI 61508  (la norme universelle de sécurité et de sûreté utile) et ISO 13849-1  (pour les composants liés à la sécurité des systèmes de contrôle).

Son meilleur objectif est d’atteindre un état « sécurisé » – ce qui suggère que si une partie du système (constituée de l’automate de sécurité lui-même) tombe en panne, il passera immédiatement à un état sécurisé prédéfini et déterministe (généralement en coupant l’alimentation ou en arrêtant les mouvements dangereux).

Ce changement réfléchi est symbolisé par son architecture matérielle unique et ses algorithmes logiciels, principalement obtenus avec trois technologies de base :.

2.1 Distinction architecturale : du « travail d’équipe » à la « supervision redondante »

Il s’agit de l’une des distinctions esthétiques les plus distinctes entre un automate de sécurité et un automate classique.

• Critère PLC : Peut inclure plusieurs processeurs. Lorsqu'ils sont nombreux, ils fonctionnent généralement en partenariat, chacun gérant des tâches distinctes (par exemple, exécution logique, interactions, contrôle des mouvements) pour améliorer l'efficacité globale.
• PLC de sécurité : Il est conseillé d'utiliser une architecture répétitive, comportant au moins deux processeurs (ou plus). Ces processeurs ne répartissent pas les tâches ; ils exécutent le même programme de contrôle en parallèle. À la fin de chaque cycle de contrôle, le système compare en temps réel les résultats des deux processeurs.
• Résultats Match : Le système identifie que le fonctionnement est régulier et permet d'alimenter les sorties.
• Inadéquation des résultats : Le système détecte immédiatement un défaut interne, exécute sa logique de sécurité et force toutes les sorties appropriées à l'état sans risque prédéfini (par exemple, hors tension), tout en activant simultanément une alarme.

Ce modèle de « guidage partagé à double canal » élimine fondamentalement la possibilité d’une sortie nuisible résultant d’une erreur de calcul d’un seul processeur.

2.2 Point de vue stylistique : accepter la « diversité » pour repérer les défauts inconnus

Si la redondance constitue la première ligne de défense contre les pannes matérielles aléatoires, la « diversité » constitue la solution idéale face aux « défaillances dues à des causes courantes » (CCF). Une CCF survient lorsqu'une cause unique entraîne la défaillance synchronisée de plusieurs canaux répétitifs, par exemple un défaut de conception présent dans un lot complet de processeurs.

Pour surmonter cela, les automates de sécurité avancés adoptent une approche plus poussée :

• Variété d'équipements : Les deux processeurs redondants peuvent provenir de fabricants différents (par exemple, l'un de Texas Instruments, l'autre d'Infineon). Étant donné que leurs styles intérieurs, leurs collections de circuits imprimés et même leurs procédés de fabrication varient, il est très peu probable qu'ils présentent les mêmes défauts de conception.
• Variété de logiciels : Même en exécutant le même raisonnement utilisateur, cette logique est fréquemment affinée par différents compilateurs pour créer deux ensembles de code exécutables indépendants. Cela permet d'identifier efficacement les erreurs systémiques introduites par un bug du compilateur.

Cette philosophie de conception « diversifiée » est comparable à l'examen séparé d'un même dossier par deux experts d'horizons différents ; elle permet de détecter des problèmes profondément ancrés qu'un seul professionnel pourrait ignorer grâce à un état d'esprit amélioré. Elle améliore considérablement la capacité du système à identifier les erreurs inconnues et systémiques.

2.3 Capacité de diagnostic : « Autodiagnostics » courants

La « sécurité » d'un automate programmable industriel (API) ne se résume pas à la redondance et à la diversité ; elle se manifeste également par ses capacités d'autodiagnostic efficaces et constantes. Ces diagnostics sont exhaustifs et couvrent l'intégralité de la faille de sécurité, de l'entrée au résultat.

• Diagnostic du processeur et de la mémoire : Des examens approfondis sont effectués sur les registres du processeur, la RAM et la ROM au début et à la fin de chaque cycle d'analyse.
• Alimentation électrique à surveiller : Les tensions d'alimentation intérieures sont vérifiées en temps réel. Si elles diffèrent de la tension de sécurité, une fermeture de sécurité est rapidement activée.
• Diagnostic du réseau d'E/S : Il s'agit d'un élément différenciant crucial par rapport aux automates programmables classiques. Les modules d'E/S de sécurité effectuent activement des diagnostics de circuit, tels que :
• Entrées : Identifier les courts-circuits, les circuits ouverts (ruptures de cordon) ou les circuits croisés avec des sources d'alimentation externes.
• Sorties : Détecter si le canal de résultat peut changer correctement et déterminer les problèmes tels que les courts-circuits ou les commentaires sur la tension extérieure.
• Surveillance de l'horloge : Les systèmes d'horloge jumelée se suivent mutuellement pour éviter les erreurs de synchronisation sensibles provoquées par une dérive ou une défaillance de l'horloge.

Selon le critère ISO 13849-1, ces étapes d’analyse s’ajoutent à une spécification vitale appelée « Protection diagnostique (DC) ».

Un automate programmable industriel de haut niveau (par exemple, classé PLe) doit atteindre une protection diagnostique de 99% ou plus, ce qui implique que plus de 99% de défaillances potentiellement dangereuses au sein du système peuvent être identifiées rapidement. Les capacités de diagnostic d'un automate programmable industriel conventionnel sont bien inférieures à ce niveau.

3. Comparaison complète : PLC de sécurité et de sûreté vs. PLC d'exigence

Pour fournir une compréhension beaucoup plus instinctive de leurs distinctions, le tableau suivant fournit une analyse côte à côte approfondie :.

4. Quand un automate de sécurité est-il obligatoire ?

Le choix d'un système de contrôle logique programmable (PL) ne doit pas être déterminé par un budget, mais par les résultats d'une analyse de risque rigoureuse. En fonction du niveau de risque étudié, vous devez choisir un système de contrôle répondant au niveau d'intégrité de sécurité (SIL) ou au niveau d'efficacité (PL) requis.

En règle générale, l'utilisation d'un automate de sécurité qualifié est obligatoire ou fortement recommandée lorsque votre application implique l'un des éléments suivants :.

• Lieux dangereux avec communication humaine fréquente : par exemple, presses à emboutir, machines de moulage par grenaille, cellules robotisées nécessitant des rideaux lumineux, des barrières de sécurité ou des commandes à deux mains.
• Appareils à grande vitesse ou à forte charge : Là où un démarrage inattendu ou un échec d'arrêt peut provoquer d'énormes dégâts, comme sur les grands convoyeurs ou les transstockeurs.
• Affiner le contrôle avec risques d'explosion ou de brûlure : par exemple, les chaudières et les solutions de gestion de chauffage (BMS), où une défaillance du contrôle pourrait entraîner un événement tragique.
• Applications explicitement prévues par la loi et les directives : Dans de nombreux pays et régions, des critères spécifiques de sécurité des machines imposent l’utilisation de systèmes de contrôle de sécurité conformes à un degré d’efficacité particulier.

L’achat d’un automate de sécurité revient essentiellement à acheter un « plan d’assurance » fiable pour vos biens les plus précieux : vos travailleurs et vos appareils de production.

Réflexion finale : la sécurité est un bénéfice non négociable

Pour revenir à notre première préoccupation, la distinction entre un API classique et un API de sécurité va bien au-delà d'un simple choix de termes. Elle représente un fossé en termes de philosophie de conception, d'architecture matérielle, d'appareils de diagnostic et de responsabilité légale.

• Un automate programmable industriel (API) est le « cheval de bataille » d’un système d’automatisation, chargé d’exécuter efficacement les tâches.
• Un automate programmable industriel (API) de sécurité est l'« ange gardien » et le « protecteur » du système. Il fonctionne discrètement en coulisses, mais au moment le plus critique, il constitue la dernière et la plus solide ligne de protection contre les incidents.

Lors de la planification de votre prochain projet d'automatisation, ne considérez pas la sécurité comme une fonctionnalité facultative ou un coût supplémentaire. Réalisez une analyse clinique des risques et choisissez le système le plus adapté à votre système. En matière de sécurité industrielle, aucune amélioration de l'efficacité ou des capacités ne peut compenser les pertes causées par un seul accident évitable. Choisir un automate programmable de sécurité est un engagement sérieux envers la vie, les biens et l'intégrité de votre entreprise.