Conception pour des applications IoT résilientes utilisant des réseaux d'alimentation et de données basés sur Ethernet industriel

Bien que les arguments en faveur de la connectivité soient solides, la manière dont cette connectivité est réalisée nécessite un examen sérieux. Il existe de nombreuses options, mais Ethernet offre une solution abordable et éprouvée pour le réseau d'usine. Il s'agit de l'option de réseau câblé la plus largement utilisée dans le monde, avec un bon support des fournisseurs et une interopérabilité transparente avec le cloud. Mieux encore, le câblage peut être utilisé pour transporter l'alimentation (Power over Ethernet (PoE)) et les données, ce qui signifie qu'un ensemble de câbles peut prendre en charge le réseau et alimenter les capteurs, actionneurs et autres appareils connectés tels que les caméras. .

Cependant, l'Ethernet standard n'est pas à la hauteur du travail industriel. Le matériel n'est pas conçu pour fonctionner de manière fiable dans un environnement d'usine chaud, sale et sujet aux vibrations. De plus, les protocoles Ethernet standard ne sont pas déterministes et ne sont donc pas adaptés aux besoins de l'environnement de l'usine, où la production nécessite un contrôle en temps quasi réel pour gérer les processus à grande vitesse.

L'Ethernet industriel apporte tous les avantages de l'Ethernet standard, mais ajoute de la résilience et un logiciel déterministe à l'ensemble. Il s'agit d'une technologie éprouvée et mature pour l'automatisation industrielle, qui permet non seulement d'envoyer des données de processus vers le cloud, mais également d'accéder facilement aux variateurs, automates programmables et périphériques d'E/S par un superviseur distant en déplacement dans l'usine de fabrication. Une modification de la norme Ethernet, IEEE 802.3cg, utilise une seule paire de fils pour transporter les données, réduisant ainsi l'encombrement et le coût du câblage d'usine.

Cet article traite du défi de la connectivité dans les applications industrielles avant de discuter des différences entre Ethernet et Ethernet industriel. L'article examine ensuite l'utilisation des technologies PoE et Single Pair Ethernet (SPE) avant de présenter le matériel Amphenol réel et comment il peut être implémenté dans un réseau Ethernet industriel.

Défis Ethernet pour l'industrie

Bien que le Wi-Fi soit le moyen le plus populaire pour les consommateurs de se connecter à Internet, les entreprises utilisent souvent la technologie de réseau local (LAN) par câble Ethernet pour connecter des ordinateurs et d'autres équipements.

Au début d'Ethernet, les ordinateurs du réseau utilisaient un seul bus pour communiquer. Ce type de réseau est la configuration la plus simple et est bon marché et facile à installer. Cependant, il est relativement inefficace car les ordinateurs connectés se disputent la bande passante, ce qui entraîne une congestion, une perte de paquets et une réduction notable de la bande passante.

Les réseaux de bureau d'aujourd'hui utilisent souvent des topologies en étoile, arborescentes ou maillées où les commutateurs contrôlent l'accès au réseau pour limiter la congestion et maintenir les performances. Le trafic Ethernet est contrôlé par les commutateurs de sorte que les messages directs ne transitent qu'entre les appareils qui doivent communiquer, plutôt que d'être diffusés sur l'ensemble du réseau (Figure 1).

Figure 1 : Les commutateurs Ethernet contrôlent l'accès au réseau pour limiter la congestion et maintenir les performances. (Source de l'image : Amphénol)

Basé sur une norme continuellement mise à jour (IEEE 802.3), Ethernet est éprouvé, sécurisé, fiable et offre des vitesses de transmission allant jusqu'à des centaines de gigaoctets (Goctets). Bien qu'il ne fasse pas partie de la norme, Ethernet utilise généralement TCP/IP (partie de la suite Internet Protocol (IP)) pour le routage et le transport, permettant une connectivité transparente à Internet. Il permet également d'étendre facilement les réseaux avec des câbles, des connecteurs et des commutateurs disponibles auprès de centaines de fournisseurs.

Ethernet a évolué pour combiner l'alimentation et les communications sur un seul câble Ethernet CAT 3 ou CAT 5, permettant aux ingénieurs de construire rapidement et à moindre coût des réseaux Ethernet et d'alimentation nécessitant peu d'entretien, par rapport aux installations qui utilisent des systèmes séparés. La technologie a été formalisée sous une norme de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) appelée PoE. Les principaux avantages de cette technologie sont sa simplicité et le fait que l'énergie est disponible partout où il y a une collecte de données. (Voir "Introduction à l'alimentation par Ethernet").

Un amendement récent à la spécification Ethernet, IEEE 802.3cg, décrit l'alternative SPE pour le transport de données sur une seule paire au lieu du câble multi-portée CAT 3 ou CAT 5 d'Ethernet ou PoE standard. Le SPE est bien adapté aux applications d'automatisation industrielle car il permet aux concepteurs des marchés de l'automatisation des usines et des bâtiments d'utiliser des protocoles Ethernet populaires pour la communication longue distance entre les contrôleurs et les capteurs industriels, tout en réduisant considérablement le volume de câblage (Figure 2) .

Figure 2 : L'Ethernet à paire unique est en train de devenir une forme d'Ethernet peu encombrante et économique pour un certain nombre d'applications industrielles et commerciales. (Source de l'image : Amphénol)

En principe, Ethernet représente un moyen idéal pour relier un bureau de supervision à l'opération de fabrication, comblant efficacement le fossé entre les réseaux de technologie de l'information (IT) et de technologie opérationnelle (OT).

Les installations de fabrication présentent un défi technique supplémentaire lors de la mise en œuvre d'Ethernet. Premièrement, les usines sont un environnement dangereux pour les câbles, connecteurs et commutateurs délicats. L'environnement est chaud, poussiéreux et plein de produits chimiques incompatibles avec les câbles de plus de 100 mètres typiques des déploiements en usine. De plus, l'humidité et les vibrations perturbent les conducteurs et les contacts. De plus, les usines regorgent de gros moteurs qui s'allument et s'éteignent constamment, provoquant des transitoires de tension et des interférences électromagnétiques (EMI) qui peuvent perturber les communications Ethernet.

Deuxièmement, une usine de fabrication regorge de robots rapides et de machines synchronisées qui nécessitent un contrôle en temps réel. Les mécanismes de communication non déterministes Ethernet standard ne sont pas préparés pour fournir cette capacité de contrôle.

Matériel Ethernet industriel

"Ethernet industriel" est le terme commun pour les systèmes Ethernet adaptés à une utilisation dans les usines. Ces systèmes se caractérisent par leurs couches physiques robustes (PHY) et leurs protocoles industriels tels que ModbusTCP, PROFINET et Ethernet/IP. De plus, contrairement aux implémentations Ethernet standard, l'Ethernet industriel utilise généralement des topologies en ligne ou en anneau, car elles permettent de raccourcir les câbles (limitant l'impact des EMI), de réduire la latence et d'ajouter un certain degré de redondance.

Les câbles sont robustes et comprennent un blindage pour les protéger des EMI, et les connecteurs sont également protégés contre les rigueurs d'un environnement industriel.

Les fabricants classent la résistance de leurs produits selon le système d'indice IP. La classification IP indique le degré de protection offert par le produit et est définie par la norme internationale EN 60529. Le schéma se compose de deux chiffres. Le premier représente le niveau de protection contre les objets solides, des outils ou des doigts qui pourraient être dangereux s'ils rencontraient des conducteurs électriques, à la saleté et à la poussière en suspension dans l'air qui pourraient endommager les circuits. Le deuxième chiffre définit la protection contre les gouttes d'eau, les éclaboussures ou l'immersion. La gamme s'étend de IP00 (aucune protection contre la poussière ou l'eau) à IP69 (protection totale contre la poussière et les puissants jets d'eau à haute température).

Les connecteurs Ethernet industriels sont généralement enfermés dans une gamme de boîtiers de protection jusqu'à IP67. Dans ce cas, une cote de six signifie qu'aucune poussière ou saleté nocive ne s'infiltrera dans l'appareil même après huit heures de contact direct avec la contamination. Un indice de protection contre l'eau de sept signifie que l'appareil peut être immergé dans jusqu'à un mètre d'eau douce pendant 30 minutes sans dommage.

Lors de la sélection de PHY, de câbles et de connecteurs pour Industrial Ethernet, le concepteur doit vérifier l'immunité aux interférences électromagnétiques (EMI) en examinant la fiche technique des normes CEI et EN suivantes :

• Tensions de surtension CEI 61000-4-5
• CEI 61000-4-4 Transitoire électrique rapide (EFT)
• CEI 61000-4-2 DES
• Immunité conduite CEI 61000-4-6
• EN 55032 émissions rayonnées
• EN 55032 émissions conduites

La conformité à tout ou partie de ces normes garantit que les performances du système Industrial Ethernet dans l'environnement de l'usine seront satisfaisantes.

connecteurs renforcés

Qu'ils soient intégrés aux panneaux de commande des machines, aux commutateurs Ethernet ou au câblage, les connecteurs sont essentiels aux performances du système Ethernet industriel. Sans une sélection minutieuse, la défaillance d'un seul connecteur sous la contrainte d'une production à grande vitesse peut entraîner le dysfonctionnement ou l'arrêt de machines d'un million de dollars.

Plusieurs fournisseurs proposent des connecteurs Ethernet industriels éprouvés et fiables pour une variété d'applications Ethernet, PoE et SPE. Par exemple, la solution de connecteurs et de câbles rectangulaires IP6X d'Amphenol offre une connectivité Ethernet CAT 6A utilisant l'interface d'accouplement IEC 61076-3-124 et une étanchéité complète aux spécifications IP65, IP66 et IP67. En particulier, les connecteurs sont destinés à être utilisés dans les applications Industrial Ethernet qui nécessitent une protection environnementale supplémentaire et conviennent à tout environnement robuste ou difficile, à l'intérieur comme à l'extérieur.

La famille comprend le boîtier de connecteur à montage sur panneau rectangulaire NDHN200 IP67 illustré à la Figure 3. Le connecteur à 3 positions NDHN2A10 polyvalent et sans soudure (Figure 4) est conçu pour s'accoupler avec le NDHN200. Le connecteur mâle comprend une fermeture à loquet et un moulage de blindage. Il est évalué à 50 volts CA ou 60 volts CC, 1.5 ampères (A), et peut être engagé/désengagé jusqu'à 250 fois.

Figure 3 : Le NDHN200 est un boîtier de connecteur rectangulaire classé IP67 pour les applications Ethernet industriel. (Source de l'image : Amphénol)

Figure 4 - Le NDHN3A2 est un connecteur à fiche IP67 qui comprend une fermeture à loquet et une garniture de blindage. (Source de l'image : Amphénol)

Amphenol a également lancé des connecteurs SPE pour la connectivité Ethernet de périphériques tels que des capteurs, des actionneurs et des caméras qui fonctionnent à des vitesses allant jusqu'à un gigabit par seconde (Gbit/s). Le facteur de forme SPE réduit la taille, le poids et le coût par rapport à l'Ethernet standard. Les connecteurs ont un degré de protection IP67 avec un facteur de forme circulaire de taille M12. Ils s'accouplent avec des fiches terminables sur le terrain, fournissant une interface entièrement blindée avec des fonctions de verrouillage. Sa capacité de gestion de tension/courant de 60 volts DC et jusqu'à 4 A prend en charge PoE à une distance allant jusqu'à 1 kilomètre (km). Un exemple est le MSPEJ6P2B02, un connecteur SPE 2P2C (Figure 5)

Figure 5 : Le connecteur SPE IP67 MSPEJ6P2B02 est disponible dans le facteur de forme circulaire populaire de taille M12. (Source de l'image : Amphénol)

La société propose également une gamme similaire de connecteurs SPE avec un format de fiche rectangulaire avec un indice de protection IP20 au lieu d'IP67. La solution offre les mêmes performances électriques que la gamme M12, mais est moins onéreuse. Un exemple est le connecteur modulaire SPE MSPE-P2L0-2A0 (Figure 6).

Figure 6 : Le connecteur modulaire SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 est une option économique pour les environnements moins dangereux. (Source de l'image : Amphénol)

Protocoles Ethernet industriels

Le mécanisme de communication Ethernet standard est satisfaisant pour le trafic relativement calme d'un bureau ou d'une petite entreprise. Mais ce mécanisme est sensible aux pannes et à la perte de paquets, ce qui entraîne une latence accrue qui le rend inadapté aux exigences en temps quasi réel d'une chaîne de production rapide et synchronisée. Comme déjà indiqué, un tel environnement nécessite un protocole déterministe pour s'assurer que les instructions de la machine arrivent à temps, à tout moment, quelle que soit la charge du réseau.

Pour relever ce défi, le matériel Industrial Ethernet est complété par des logiciels tout aussi « industriels ». Il existe plusieurs protocoles Industrial Ethernet éprouvés, tels que Ethernet/IP, ModbusTCP et PROFINET. Chacun d'eux est conçu pour garantir le déterminisme des applications d'automatisation industrielle.

La meilleure façon de décrire la différence entre les logiciels Ethernet et Ethernet industriel est de considérer le modèle d'abstraction ISO/OSI à sept couches ("pile"), comprenant les couches PHY, liaison de données, réseau, transport et autres. , session, présentation et application. L'Ethernet standard comprend les couches PHY, liaison de données, réseau et transport (utilisant TCP/IP ou UDP/IP comme transport) et peut être considéré comme un mécanisme de communication qui offre efficacité, vitesse et polyvalence.

En revanche, les protocoles Industrial Ethernet, par exemple PROFINET, utilisent la couche application de la pile Industrial Ethernet. PROFINET est un protocole de communication conçu pour l'échange d'informations entre des machines et des contrôleurs dans un environnement d'automatisation, qui utilise la norme Ethernet comme mécanisme de communication (Figure 7).

Figure 7 : Le modèle d'abstraction à sept couches ISO/OSI représentant la pile logicielle Industrial Ethernet. Les protocoles Industrial Ethernet, tels que PROFINET, se trouvent dans la couche application. (Source de l'image : Profinet)

Les logiciels Industrial Ethernet peuvent également tirer parti d'autres protocoles spécialement conçus pour envoyer des données vers le cloud. Quelques exemples sont des protocoles comme MQTT ou SNMP.

Conclusion:

Pour tenir compte de l'environnement industriel difficile et des exigences en temps réel, Industrial Ethernet utilise du matériel renforcé tel que des commutateurs, des câbles et des connecteurs, ainsi que des logiciels industriels, pour connecter de manière fiable les réseaux IT et OT de l'usine.

Comme démontré, les solutions de connecteurs commerciaux éprouvées permettent aux ingénieurs de tirer facilement parti de l'Ethernet industriel pour programmer et contrôler l'automatisation industrielle à grande vitesse, tout en collectant les données approfondies nécessaires pour améliorer et développer les opérations de fabrication.

source: https://www.digikey.es/es/articles/design-for-rugged-iot-applications-using-industrial-ethernet-based-power-and-data-networks