Atténuation des interférences électromagnétiques dans le câblage Ethernet industriel

Les normes internationales TIA1005 et ISO 11801:3 décrivent en détail ce qui est communément appelé les exigences M.I.C.E. pour les systèmes de câblage Ethernet industriel.  La lettre « M » de l'acronyme fait référence à l'environnement mécanique : les câbles peuvent être soumis à des forces mécaniques importantes, telles que des chocs, des écrasements ou même des actions courantes telles que des flexions répétées.  La lettre « I » de l'abréviation représente les infiltrations, ce qui signifie que les connecteurs doivent être capables de bloquer la pénétration de liquides, de la poussière et des aérosols dans les zones où ils peuvent endommager les appareils électroniques sensibles.  Les préoccupations chimiques et climatiques constituent la lettre « C », qui fait référence à la température, à l'humidité et aux produits chimiques qui peuvent endommager le câblage de bureau.

Cela nous amène à la lettre « E », qui fait référence aux interférences électromagnétiques et aux décharges électrostatiques.  Les appareils tels que les dispositifs d'entraînement de moteurs, machines à souder et réchauffeurs à induction sont les pires générateurs de bruit électromagnétique pouvant affecter les performances du réseau. Dans un environnement de bureau, le nombre de ces sources de bruit est proche de zéro. En outre, les câbles électriques qui alimentent ces appareils peuvent générer des champs magnétiques qui interfèrent avec la transmission des données.

Nous allons nous intéresser à une situation type : si vous installez un câble Ethernet (un conducteur métallique) en lui faisant traverser un champ magnétique (en le plaçant par exemple à proximité d'un gros moteur), un courant électrique est généré dans le câble et, par conséquent, le signal Ethernet (qui est également un courant électrique) sera déformé. Quelles sont les répercussions au niveau de la transmission des données ? L'intégrité des paquets est compromise et cela peut entraîner des problèmes de communications intermittents. Dans un environnement de bureau, cela signifie généralement une retransmission du paquet, qui n'est probablement même pas remarquée par l'utilisateur.  Dans un environnement industriel, où la synchronisation est cruciale en raison des processus mécaniques, cela pourrait entraîner des éclaboussures de ketchup sur le sol, une défaillance au niveau des soudures ou même un arrêt de la ligne.

Il est de toute évidence important de prévenir les problèmes de bruit dans le secteur de l'automatisation industrielle et il existe plusieurs façons d'aborder la question.  La plupart des installations peuvent fonctionner, et le font avec succès, avec un câblage UTP (à paires torsadées non blindées) en raison du coût et de la facilité d'installation et d'entretien de ce dernier, qui contrairement à d’autres méthodes ne pâtit pas de certains problèmes.  Les câbles UTP plus récents peuvent également offrir une meilleure immunité au bruit.  Mais examinons d'abord d'autres approches.

Le câblage à fibre optique est totalement insensible aux interférences électromagnétiques et constitue de loin la solution la plus complète face aux problèmes que couvre la lettre « E » de l'acronyme (interférences électromagnétiques et décharges électrostatiques).  Cependant, le câblage fibre optique présente certains inconvénients.  Premièrement, il est plus coûteux - pas nécessairement pour ce qui est du câblage lui-même, mais l'électronique pour la connexion à la fibre optique est généralement beaucoup plus coûteuse et, pour de nombreux appareils industriels, peut ne pas être disponible.  Les émetteurs-récepteurs fibre-cuivre peuvent résoudre ce problème, mais viennent ajouter des frais supplémentaires et un autre point de défaillance éventuel qui requiert également une alimentation.  Un autre problème avec la fibre est qu'elle nécessite des outils spécialisés pour son installation et son dépannage, ce qui peut s'avérer être onéreux.  La fibre est également très sensible à la contamination par la poussière ou l'humidité au niveau de ses extrémités, ce qui peut constituer un problème important dans les environnements industriels. Les techniciens ont également besoin de connaissances techniques pour travailler avec la fibre, bien que certains équipements plus récents permettent par exemple de trouver plus facilement les défaillances (figure 1).

Figure 1.  Les OTDR avancés tels que l'appareil OptiFiber™ Pro affichent les problèmes dans des graphiques faciles à comprendre.

Éviter les sources de bruit peut également réduire leur incidence.  Un acheminement minutieux du câblage à l'écart de sources d'interférences électromagnétiques telles que des variateurs de fréquence (VFD), câblage haute puissance et machines à souder peut réduire les interférences et la perte de paquets.  Le problème est que vous ne serez pas vraiment certain de savoir dans quelle mesure cela vient résoudre le problème.  De la même manière, il est possible que de nouveaux appareils à l'origine d'interférences électromagnétiques soit ajoutés ou positionnés plus près du câble à l'avenir, entraînant ainsi des problèmes.

Un câblage blindé peut presque complètement éliminer les problèmes de bruit.  Le blindage agit comme une cage qui empêche tout bruit électromagnétique de pénétrer dans les câbles, absorbant et conduisant cette énergie par un chemin de faible impédance à la terre. Dans les environnements exceptionnellement bruyants, une combinaison de blindages en feuillard métallique et à isolation tressée est plus efficace quand il s'agit de protéger le câble contre les interférences électromagnétiques et de fournir un chemin de mise à la terre de faible impédance.  Dans les zones modérément bruyantes, un blindage général par feuillard aluminium peut être suffisant.  Cependant, le blindage pose des problèmes qui lui sont propres.  En raison des différences de tension de la masse dans une usine, la mise à la terre doit être abordée avec précaution.  Un câble blindé doit être mis à la terre pour fonctionner efficacement et protéger la transmission des données, mais faut-il mettre le câble à la terre à une extrémité ou aux deux extrémités ? Chaque application présente son propre bruit environnemental qui lui est unique et les situations de mise à la terre exigent de la pratique et une expérience en matière d'ingénierie lors de la prise de décision.

Les protocoles Ethernet industriels (Ethernet/IP, Profinet, Modubus TCP) fournissent également des recommandations pour la mise à la terre du blindage afin de maximiser l'immunité aux différences de tension de la masse.  Ces techniques de mise à la terre étendues et coûteuses permettent d'éviter que les boucles de terre ne posent problème.  Une recommandation consiste à couper la gaine extérieure pour exposer le blindage, puis à serrer le câble dans un bloc de cuivre qui est relié à une masse en cuivre de 8 mm d'épaisseur à plusieurs endroits sur chaque parcours du câble, ce qui constitue une approche chronophage et coûteuse.  Il peut également être difficile de tester le blindage du câble.  Notre appareil DSX CableAnalyzer™ offre une capacité unique de mesure de la continuité de la masse le long du parcours du câble pour s'assurer que la mise à la terre est effectuée correctement (figure 2).

 

Figure 2.  Les plus anciens testeurs (à gauche) utilisent un simple test de résistance pour vérifier la continuité de la masse, mais ce dernier peut être « trompé » par des chemins de mise à la terre alternatifs.  Le DSX CableAnalyzer (à droite) peut localiser les défaillances du blindage même en présence de ces parcours de mise à la terre alternatifs.

Les câbles UTP hautement symétriques peuvent être résistants aux interférences électromagnétiques et peuvent en outre atténuer les problèmes de différence de tension et de boucle de terre courants dans les applications de contrôle et les câbles blindés. La plupart des fabricants recommandent l'utilisation de câbles UTP et ceux qui sont hautement symétriques offrent une mesure de protection supplémentaire.  Pour tester l'immunité au bruit d'un câble, une mesure de l'affaiblissement de conversion transversale (TCL) et de l'affaiblissement de conversion transversale à niveau égal (ELTCTL) peut être effectuée. Les fabricants de câbles viendront spécifier les performances de leur câble avec trois niveaux : E1 pour les bureaux, E3 pour les environnements à forte interférence électromagnétique et E2 pour un niveau intermédiaire.  Nos appareils DSX CableAnalyzer peuvent effectuer des tests sur le terrain des mesures TCL et ELTCTL pour mesurer l'immunité au bruit et vérifier si une liaison par câble offre des performances adéquates dans des environnements bruyants (figure 3).

Figure 3. Les limites TIA pour les niveaux E1 à E3 peuvent être sélectionnées sur le DSX CableAnalyzer

Si vous souhaitez en savoir plus sur la manière d'atténuer les interférences électromagnétiques dans un environnement industriel et sur la manière dont un appareil de test de câbles de terrain peut vous aider à prévenir les problèmes de communication intermittents, n'hésitez pas à nous contacter.

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