Le secteur de la fabrication industrielle a connu des évolutions importantes au cours des vingt dernières années. Les actifs de production sont de plus en plus souvent connectés à des systèmes de contrôle et d’analyse des performances. L’environnement du réseau industriel est souvent diversifié, avec Ethernet comme réseau de base pour les systèmes informatiques d’entreprise. Un mélange éclectique de méthodes de bus série à faible vitesse constitue les connexions à la technologie opérationnelle (OT) utilisée sur l’équipement industriel. La gestion de plusieurs protocoles réseau est un défi et ne convient plus aux systèmes IIoT modernes, tels que les systèmes de vision industrielle, destinés aux applications en temps réel à large bande passante. Cet article décrit le développement récent de l’Ethernet à paire unique et la manière dont le protocole Ethernet peut relier les systèmes informatiques d’entreprise jusqu’aux systèmes périphériques OT.
L’essor des machines connectées
Les initiatives de transformation industrielle telles que l’industrie 4.0 sont responsables de la revigoration de nombreuses usines et opérations de fabrication. Dans le but d’améliorer l’efficacité opérationnelle globale d’un processus ou d’une installation, la collecte de données est primordiale. Le timing est souvent déterminant pour la réussite de nombreuses choses dans la vie, et ce fut certainement le cas lorsque l’industrie 4.0 a rencontré le concept de l’internet des objets (IoT). L’IoT, plus précisément, l’IoT industriel (IIoT), était exactement ce qu’il fallait pour relier les moteurs, les capteurs, les actionneurs et la myriade d’autres équipements de contrôle utilisés dans un processus automatisé.
Cependant, connecter des systèmes et des composants de contrôle n’est pas un concept nouveau. Depuis plus de quarante ans, des appareils de contrôle des processus industriels utilisent des protocoles de mise en réseau en série tels que Profibus, RS232/422 et Modbus. L’interfaçage entre les systèmes informatiques des entreprises est devenu une tâche complexe pour les passerelles et les serveurs dédiés.
L’héritage d’Ethernet
Le monde de l’informatique a beaucoup changé depuis les années 80. Au départ, la connexion d’ordinateurs individuels entre eux était compliquée, et de nombreux protocoles de réseau propriétaires se faisaient concurrence pour dominer. Ethernet est l’un de ces protocoles qui a émergé pour devenir la norme de mise en réseau IEEE 802.3 omniprésente et largement adoptée.
La figure 1 illustre l’évolution d’Ethernet en termes de bande passante depuis sa ratification sous la norme 802.3.
Au fur et à mesure qu’Ethernet a évolué, sa flexibilité, sa résilience et sa commodité sont devenues respectées. Il est donc naturellement devenu le candidat idéal pour des applications en dehors de ses marchés traditionnels. Ethernet est rapidement devenu une norme viable pour la mise en réseau des véhicules et les applications d’automatisation des bâtiments. Les adaptations de l’Ethernet industriel, telles que les réseaux sensibles au temps (TSN), et sa capacité à transporter plusieurs protocoles existants, démontrent que l’Ethernet convient à tous les types d’automatisation.
Exigences en matière de réseaux industriels
L’environnement industriel est différent de la plupart des bureaux et des centres de données. La disposition défective des connecteurs RJ45 à quatre paires torsadées des câbles Ethernet, utilisée dans nos foyers et nos bureaux, est mal adaptée à une utilisation industrielle. Les câbles et connecteurs de réseau qui relient les équipements de production et les capteurs aux systèmes de contrôle sont soumis à un environnement de travail difficile et à des contraintes mécaniques spécifiques. Les facteurs environnementaux comprennent les vibrations, l’humidité et la nécessité d’une protection contre les intrusions. Dans les armoires de commande industrielles où l’espace est restreint, la densité des équipements est élevée et les câbles doivent être très souples et capables d’un rayon de flexion serré. De même, la protection des câbles dans des conduits métalliques impose des contraintes sur les tailles de câbles utilisées.
La croissance rapide du déploiement de dispositifs IIoT intelligents basés sur la périphérie nécessite une source d’alimentation en plus de la connectivité filaire. Ethernet offre une capacité d’alimentation par Ethernet (PoE), mais l’épaisseur, le poids et le coût d’installation d’un câble Ethernet traditionnel à huit conducteurs empêchent son utilisation.
L’Ethernet à paire unique : le choix idéal pour les applications industrielles
La norme Ethernet à paire unique (SPE), IEEE 802.3bp 1000BASE-T1, a été créée en 2019. Comme son nom l’indique, elle utilise une seule paire torsadée de conducteurs et offre une distance de liaison maximale de 15 mètres avec des câbles non blindés et de 40 mètres avec des câbles blindés. Par rapport à un câble Ethernet ordinaire à quatre paires de catégorie 6 utilisant des conducteurs AWG 23, un câble SPE est 60 % plus léger et a un diamètre nettement inférieur. Comme cela a été souligné, le connecteur RJ45 n’est pas adapté au secteur industriel, d’où la nécessité de poursuivre les recherches sur un format de connecteur que l’industrie pourrait adopter. En mars 2020, la norme de connecteur CEI 63171 pour les câbles SPE a été annoncée.
Une norme de capacité d’alimentation appelée “power over data line” (PoDL) est définie dans la norme IEEE 802.3bu. Neuf combinaisons de courant et de tension permettent de délivrer un maximum de 50 watts à l’appareil final. Une révision récente de la norme PoDL, 802.3cg, ajoute six classes, voir la figure 2, qui stipule un maximum de 52 watts délivrés à la charge. La norme souligne également la nécessité d’une légère augmentation du diamètre du conducteur et définit la résistance maximale du conducteur pour obtenir les capacités d’alimentation les plus élevées.
Les normes CEI 63171-1 à 63171-6 définissent un ensemble de formats de connecteurs SPE différents – voir la figure 3. Elles prennent en compte les capacités d’alimentation séparée et sur ligne de données, la protection contre les intrusions et l’utilisation de types de câbles blindés ou non blindés. Les connecteurs cylindriques industriels très répandus, de type M8 et M12, font partie de la gamme robuste IP65/67.
L’Ethernet à paire unique offre une connectivité réseau robuste, du centre de données aux points d’extrémité industriels
Le protocole Ethernet, largement reconnu, offre un réseau résilient, fiable et de qualité professionnelle. Aujourd’hui, avec l’avènement de l’Ethernet à paire unique IEEE 802.3bp et de la norme de connecteur SPE CEI 63171, ces mêmes niveaux de qualité de service et d’alimentation sont disponibles pour tous les composants du réseau. L’utilisation d’un seul protocole de mise en réseau simplifie considérablement la complexité et les coûts de l’infrastructure du réseau.
