Ethernet industriel pour IoT industriel en environnements d'usine

Que se passe-t-il lorsque des équipements Ethernet classiques sont utilisés dans les usines ? Ils tombent rapidement en panne dans de tels environnements. Les usines fonctionnent à des températures extrêmes, de -40°C à +75°C, subissent des vibrations constantes et sont exposées à des produits chimiques agressifs. Lorsque les réseaux industriels tombent en panne, la production s'arrête, entraînant des pertes financières.

Cet article illustre les différences entre l'Ethernet industriel et les réseaux bureautiques traditionnels. Il explique comment des composants spéciaux permettent aux machines de communiquer entre elles de manière fiable. La discussion s'articule autour de trois axes principaux : commutateurs réseau renforcés, câbles de qualité industrielle et tableaux de raccordement protégés, permettant de créer des réseaux capables de résister aux conditions difficiles des usines.

Limites des performances en environnements industriels

L'Internet industriel des objets (IIoT) fonctionne dans des conditions qui mettent rapidement hors service les équipements informatiques standard. Les ateliers de fabrication génèrent de la poussière qui obstrue les systèmes de refroidissement, tandis que l'humidité dans les usines de transformation alimentaire entraîne courts-circuits et corrosion. Les températures extrêmes, les vibrations constantes et les interférences électromagnétiques des moteurs compromettent tous les composants réseau classiques, entraînant des pannes et des temps d'arrêt coûteux.

Contrairement aux réseaux bureautiques, où des retards occasionnels sont acceptables, les réseaux industriels doivent être déterministes, c'est-à-dire garantir que les événements se produisent dans un délai prévisible. L'Ethernet standard est un protocole probabiliste (au mieux) sans garantie de délai. Les applications industrielles requièrent compatibilité et déterminisme, en particulier pour des opérations telles que le contrôle de mouvement, où des retards de l'ordre de la milliseconde peuvent endommager l'équipement.

Maintenir compatibilité et déterminisme

Les protocoles industriels fonctionnent au niveau de la couche 7 du modèle d'interconnexion de systèmes ouverts (OSI) avec des réseaux basés sur PROFINET, comme illustré à la Figure 1. PROFINET peut être divisé en PROFINET RT et PROFINET IRT (temps réel isochrone). RT contourne le traitement TCP/IP normal pour réduire la latence, tandis qu'IRT modifie les règles de commutation du trafic Ethernet pour donner la priorité aux échanges de données critiques.

Figure 1 : Le modèle OSI illustre le fonctionnement des protocoles industriels à différentes couches réseau. (Source de l'image : Eaton)

Comme PROFINET fonctionne sur l'Ethernet standard au niveau des couches physiques (1-2), les réseaux industriels peuvent se connecter aux équipements Ethernet classiques tout en offrant une temporisation exacte pour le contrôle des machines, la flexibilité du protocole et l'extensibilité du réseau.

Composants des systèmes d'automatisation IIoT et défis opérationnels

Les tableaux de raccordement, les câbles et les commutateurs Ethernet industriels sont des composants essentiels de l'Internet industriel des objets (IIoT) dans l'automatisation industrielle. Ces trois composants présentent des défis communs et spécifiques.

Défis communs : Tous les composants doivent être protégés contre les interférences électromagnétiques des machines d'usine. À cette fin, les commutateurs et les tableaux de raccordement requièrent des boîtiers blindés, tandis que les câbles utilisent une construction à paire torsadée blindée (STP) ou à paire torsadée à feuille (F/UTP). Les commutateurs sont dotés de boîtiers renforcés pour résister aux chocs, les câbles résistent aux vibrations et aux contraintes mécaniques, et les tableaux de raccordement utilisent des matériaux à usage intensif, tels que l'acier laminé à froid de calibre 14.

Défis spécifiques :

Commutateurs Ethernet industriels

• Ils doivent fonctionner de manière fiable à des températures extrêmes (-40°C à +75°C)
• Ils requièrent des entrées d'alimentation CC redondantes et des relais d'alarme en cas d'instabilité de l'alimentation industrielle
• Ils nécessitent des protocoles de qualité de service (QoS) pour prioriser les flux de données industriels critiques

Câbles Ethernet industriels

• Ils subissent une exposition environnementale directe et requièrent des connecteurs répertoriés IP68 pour la protection contre la poussière et les liquides
• Ils doivent utiliser des connecteurs M12 spécialisés avec filetages de verrouillage pour prévenir toute déconnexion induite par les vibrations
• Ils doivent être équipés de fiches à angle droit pour l'installation dans les espaces confinés autour des machines

Tableaux de raccordement industriels

• Ils doivent permettre d'organiser de nombreuses longueurs de câbles dans un espace limité avec des conceptions haute densité
• Ils doivent intégrer des barres de décharge de traction pour maintenir l'intégrité de la connexion à long terme
• Ils doivent utiliser des ports à angle vers le bas à 90 degrés pour un accès plus facile dans les racks denses

Eaton propose une vaste gamme de solutions Ethernet industrielles, y compris des tableaux de raccordement, des câbles et des commutateurs Ethernet industriels, qui répondent aux défis mentionnés ci-dessus dans les environnements d'usines.

Commutateurs Ethernet industriels

Les commutateurs série NGI d'Eaton connectent les dispositifs aux réseaux industriels. Ils sont disponibles en différentes tailles : petits avec 5 ports et grands avec 16 ports. Les petits commutateurs gèrent des débits de données jusqu'à 14 Gbps. Les grands commutateurs gèrent jusqu'à 32 Gbps. Tous les ports RJ45 peuvent fonctionner à trois vitesses : 10 Mbps, 100 Mbps ou 1000 Mbps. La Figure 2 illustre les images des composants clés des modèles NGI-U08A et NGI-U05C2POE4.

Figure 2 : Composants clés des commutateurs Ethernet industriels série NGI d'Eaton. (Source de l'image : device.report)

Le commutateur réseau NGI-U05POE4 est doté d'un boîtier métallique renforcé qui résiste aux vibrations et aux chocs, et peut fonctionner à des températures de -10°C à +60°C. Sa principale caractéristique réside dans ses quatre ports PoE+ qui peuvent fournir jusqu'à 30 W de puissance chacun (pour un total de 120 W). Cela permet d'alimenter des dispositifs tels que des caméras et des capteurs dans les zones où les prises CA ne sont pas facilement disponibles.

Pour des fonctionnalités améliorées, le commutateur réseau NGI-U08A constitue un bon choix, car il offre une plage de températures de fonctionnement plus étendue de -40°C à +75°C et un boîtier robuste pour résister aux vibrations. La fonctionnalité de redondance d'alimentation de ce modèle est particulièrement utile en cas d'instabilité de l'alimentation. Il intègre la technologie Ethernet/IP QoSe (EIP QoS) qui permet de donner la priorité aux flux de données industriels pour améliorer les niveaux de performances.

Câbles Ethernet industriels

Les câbles Ethernet industriels d'Eaton sont dotés d'une construction blindée (STP ou F/UTP) pour protéger les signaux contre les interférences générées par les moteurs et les machines lourdes. Les câbles sont conçus pour résister à la poussière, à l'humidité et aux éléments corrosifs grâce à des fonctionnalités telles que des connecteurs répertoriés IP68 et des gaines CMX répertoriées pour les applications en extérieur.

Pour éviter la défaillance des connexions en raison des vibrations constantes, les câbles utilisent des connecteurs M12 circulaires robustes avec un filetage de verrouillage de 12 mm pour une fixation sécurisée. De nombreux câbles prennent en charge Power over Ethernet (PoE), ce qui leur permet de fournir l'alimentation et les données sur une seule ligne à des dispositifs tels que des capteurs et des caméras qui ne disposent pas de prises de courant.

Le N206-PC23-IND (Figure 3) affiche un indice de protection IP68, indiquant que ses connecteurs sont protégés contre la poussière et peuvent résister à une immersion dans 1,5 mètre d'eau pendant 60 minutes. Grâce à sa gaine répertoriée CMX, il est adapté aux applications extérieures. Il est conçu pour fonctionner à des températures extrêmes de -20°C à +80°C.

Figure 3 : Câble Ethernet STP Cat5e/Cat6 industriel d'Eaton avec connecteurs RJ45 (modèle N206-PC23-IND). (Source de l'image : Eaton)

La construction blindée du câble contribue à offrir une protection contre le bruit de ligne EMI/RFI provenant de sources telles que les machines lourdes, notamment les moteurs électriques et les équipements de soudage. Le câble prend en charge PoE pour alimenter les dispositifs compatibles, tels que les caméras de sécurité et les téléphones VoIP.

Les câbles industriels NM12-6A4-01M-BL (Figure 4) et NM12-602-02M-BL sont dotés de connecteurs M12 et répertoriés IP68 pour la résistance à la poussière et à l'eau. Les modèles prennent en charge l'alimentation PoE 60 W haute puissance et relient un connecteur M12 codé X mâle à un connecteur RJ45 mâle.

Figure 4 : Câble industriel blindé 10G Cat6a NM12-6A4-01M-BL d'Eaton avec connecteur M12 à angle droit et prise en charge PoE 60 W. (Source de l'image : Eaton)

Le NM12-6A4-01M-BL présente un avantage par rapport au NM12-602-02M-BL, car il offre un débit réseau supérieur de 10 Gbps et un blindage à feuille (F/UTP) global pour une protection contre les interférences dans les applications haute vitesse. Il est également doté d'un connecteur M12 spécial à angle droit, comme illustré à la Figure 4, pour soulager la tension du câble et faciliter les connexions dans les espaces restreints. Cependant, si seuls des connecteurs M12 droits sont nécessaires avec un câble plus long (2 m) et des débits réseau inférieurs (1 Gbps), alors le NM12-602-02M-BL est idéal.

Tableaux de raccordement industriels

Les tableaux de raccordement industriels sont dotés de ports RJ45 entièrement blindés, offrant une protection essentielle contre les interférences électromagnétiques fréquentes dans les environnements de fabrication. Cette conception blindée empêche les EMI et les RFI d'altérer les données, réduisant ainsi les pertes de paquets et les besoins de retransmission. Les options à faible encombrement incluent les modèles 1U standard et les variantes 0.5U compactes, permettant une densité de ports plus élevée dans les espaces de racks limités.

Comme illustré à la Figure 5, le modèle N254-024-SH-D est doté de ports RJ45 orientés vers le bas à un angle de 90 degrés (C), facilitant une meilleure gestion des câbles dans les espaces industriels restreints et réduisant la tension sur les câbles et les connecteurs. Le fil de terre dédié (D) garantit la mise à la terre électrique correcte du blindage, maximisant ainsi la protection EMI/RFI dans les environnements industriels électriquement bruyants.

Figure 5 : Tableau de raccordement industriel d'Eaton (modèle N254-024-SH-D) mettant en évidence les principales caractéristiques industrielles. (Source de l'image : Eaton)

Stratégies d'intégration pour l'optimisation de la fiabilité des réseaux industriels

Lors de l'intégration de composants Ethernet industriels, les spécifications doivent être adaptées aux défis environnementaux. Les usines de transformation alimentaire requièrent une protection contre l'humidité plus élevée que les entrepôts poussiéreux, tandis que les zones équipées d'équipements de soudage nécessitent un blindage renforcé contre les interférences électromagnétiques (EMI).

Pensez à la croissance future en choisissant des composants dotés de capacités d'extension, tels que des boîtiers offrant un espace supplémentaire, un câblage à plus grande largeur de bande et des commutateurs avec des ports disponibles. Garantissez l'interopérabilité en maintenant des spécifications de performances cohérentes sur l'ensemble de l'infrastructure. Si les commutateurs prennent en charge 10 Gbps, utilisez un câblage capable d'offrir la même bande passante.

Tenez compte à la fois de la latence et de la gigue lors de la conception d'applications sensibles au temps. Répondez aux contraintes physiques avec des boîtiers muraux pour un espace au sol limité et étendez la longueur des câbles pour atteindre les emplacements optimaux des dispositifs.

Conclusion

Les réseaux de qualité industrielle fonctionnent de manière fiable là où les équipements standard sont défaillants. Ils réduisent les temps d'arrêt et les coûts de maintenance. Ils fournissent également des données cohérentes à des fins d'analyse. Lorsque les fabricants combinent l'Ethernet standard avec des protocoles industriels, les avantages sont considérables. Cette combinaison offre une connectivité universelle ainsi qu'un contrôle de temporisation précis, important pour les jumeaux numériques et la maintenance prédictive.

Une infrastructure renforcée fait la différence à mesure que les usines adoptent l'IoT. Les entreprises qui investissent correctement dans l'Ethernet industriel obtiennent des avantages opérationnels immédiats. Cet investissement prépare également les entreprises aux avancées de l'Industrie 4.0. Ces avancées nécessitent un réseau fiable dans toutes les installations de fabrication.