Ethernet industriel et Publicité
2 avril 2020 / Généralités, 101 apprentissage, normes et certification, réseaux industriels
Nous savons tous qu’Ethernet est le protocole de communication de la couche physique de facto pour la transmission de données entre des appareils dans un réseau local ou étendu. Au fil des ans, il a évolué pour offrir des niveaux de performance plus élevés tout en conservant ses caractéristiques de rétrocompatibilité et de fiabilité, ainsi qu’un coût relativement faible. Voilà pourquoi il est resté si populaire.
Ces derniers temps, vous avez peut-être aussi entendu parler de l'Ethernet utilisé dans le contexte de « l'Ethernet commercial » et de « l'Ethernet industriel ». Bien qu’il s’agisse de deux types d'Ethernet, qui utilisent des trames pour envoyer des informations vers et depuis des appareils par le biais d'adresses MAC, ils ne sont pas identiques, que ce soit pour ce qui est de la façon dont ils envoient et reçoivent des informations, ou des topologies déployées et des composants et caractéristiques à prendre en compte lors des tests.
Examinons les principales différences entre les deux.
Temps et déterminisme
L'Ethernet commercial standard n'est intrinsèquement pas une transmission en temps réel car il utilise le protocole de transmission Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD ou accès multiple avec écoute de porteuse et détection de collision). C'est ce qui permet la détection du réseau et de l'adresse de destination (CSMA) et la possibilité pour un appareil de reconnaître qu'il a tenté de transmettre des informations en même temps qu'un autre appareil (CD). Lorsqu'une collision est détectée, la transmission cesse et est réémise une fois l'absence d'émission détectée. En d'autres termes, le temps qu'il faut à un paquet donné pour arriver à sa destination ne peut être déterminé, ce qui signifie que le système n'est pas de type déterministe (mais probabiliste).
Si la détection des collisions est un excellent moyen de transmettre efficacement des informations d'entreprise, elle provoque un léger retard qui peut atteindre des centaines de millisecondes. Ce n'est pas quelque chose que l'on remarque ou dont on se soucie vraiment dans un environnement d'entreprise commerciale. Mais dans un environnement industriel, le moindre retard est inacceptable, car les systèmes d'automatisation et de contrôle dépendent de l'arrivée des informations à l'endroit et au moment exacts où elles sont nécessaires. C'est pourquoi la communication au niveau des appareils dans un environnement industriel a longtemps reposé sur des protocoles tels que Profibus et Modbus qui offrent une transmission et un déterminisme sensibles au temps.
Heureusement, le groupe de travail IEEE 802,1 Time-Sensitive Networking (TSN) a pu aborder cette question grâce à de nouveaux mécanismes et algorithmes de priorisation utilisant la synchronisation temporelle. Cela a donné lieu à la création d’un ensemble de normes Ethernet déterministes (et en temps réel) pour l'envoi d'informations à délai critique au niveau de la couche physique de la liaison de données, parfaitement adaptées aux applications de contrôle de mouvement les plus difficiles. En un mot, TSN est venu apporter des exigences de niveau industriel aux raccordements Ethernet.
Variations possibles de la topologie
Alors que les réseaux Ethernet commerciaux sont presque toujours configurés suivant une topologie en étoile, l'Ethernet industriel comprend souvent une combinaison de topologies en étoile, en anneau et en bus pour s'adapter à une variété d'applications. Les topologies en bus, appelées multipoints ou à segments multiples dans les applications industrielles, sont courantes lorsqu'il est nécessaire que plusieurs nœuds partagent un lien commun. C'est pourquoi le nouvel Ethernet 10BASE-T1L à paire unique permet d'utiliser jusqu'à 10 connecteurs en ligne.
En outre, alors que la topologie en étoile hiérarchique est idéale pour l'Ethernet commercial, l'Ethernet industriel nécessite une redondance encore plus poussée ainsi que l'élimination des points de défaillance individuels. À cette fin, l'Ethernet industriel a adapté des topologies hybrides en étoile/anneau qui réduisent au minimum les temps d'arrêt des cycles de production sans aucun basculement. De nouveaux protocoles tels que le HSR (Highavailability Seamless Redundancy) définis dans la norme CEI 62439-3 sont conçus pour atteindre un temps de récupération zéro dans une topologie en anneau en envoyant chaque paquet dans les deux directions en même temps de sorte que le nœud récepteur accepte l'arrivée du premier paquet et ignore le second.
Une meilleure protection des composants
Comme nous l'avons souligné dans un blog précédent, les connecteurs utilisés pour l'Ethernet industriel sont également différents dans la mesure où ils doivent résister à des facteurs mécaniques plus contraignants, au risque d'infiltration, aux températures extrêmes, aux produits chimiques et aux interférences électromagnétiques. C'est pourquoi on utilise souvent des connecteurs à filetage autobloquant M12 et M8, car ils sont beaucoup plus durables que les connecteurs Ethernet RJ-45 commerciaux et conçus pour pouvoir supporter des vibrations permanentes. Les câbles doivent eux aussi être capables de résister à des environnements plus difficiles, c'est pourquoi ils comportent des matériaux de gaine ayant une plus grande résistance à la traction et aux produits chimiques, ainsi qu'un plus grand nombre de brins pour une meilleure flexibilité. Les connecteurs et les câbles doivent répondre à des paramètres M.I.C.E. plus stricts. Cet acronyme est utilisé pour classer les composants dans un réseau industriel où la lettre M correspond aux facteurs d'ordre mécanique (flexibilité, vibration), I aux infiltrations (humidité), C aux facteurs climatiques (température) et enfin E aux exigences électromagnétiques (bruit). Les normes MICE s'appliquent à tout protocole Ethernet industriel, y compris au câblage Ethernet/IP, ProFinET, EtherCAT, Modbus-TCP ainsi qu’à d’autres protocoles industriels.
Ce ne sont pas uniquement les câbles et les connecteurs qui diffèrent. Les commutateurs Ethernet eux-mêmes doivent également résister à des plages de température plus larges, aux chocs, aux vibrations, etc., et ils sont souvent logés dans des boîtiers industriels en acier utilisant un montage sur rail DIN. Ils exigent également une fiabilité et une redondance supérieures. Alors qu'un commutateur Ethernet de classe commerciale dispose généralement d'une seule alimentation électrique, les commutateurs Ethernet industriels ont presque toujours une alimentation redondante.
Des tests et dépannages uniques en leur genre
Plus de la moitié des problèmes de l'Ethernet industriel sont liés au câblage et un environnement industriel plus rude peut être un facteur important et exiger un changement au niveau des éléments à rechercher lors des tests et du dépannage. Par exemple, les câbles de l'Ethernet industriel peuvent connaître des problèmes de continuité causés par la flexion, les vibrations, la corrosion et les changements de température. Alors que les tests de continuité permettent de localiser les circuits ouverts, trouver une mauvaise connexion nécessite de mesurer la résistance de chaque conducteur individuel. Pour ce faire, vous pouvez tester les paramètres de résistance CC asymétrique avec l'appareil de test de la série DSX CableAnalyzer™ de Fluke Networks, qui examine la différence de résistance entre chaque conducteur d'une paire. Si elle est trop élevée, cela pourrait indiquer une mauvaise connexion.
Les interférences électromagnétiques (EMI) - la lettre « E » de l'acronyme M.I.C.E. - peuvent également endommager les paquets de l'Ethernet industriel. Pour déterminer si un câble est sensible aux EMI, DSX CableAnalyzer teste l'affaiblissement de conversion transversale (TCL) et l'affaiblissement de conversion transversale à niveau égal (ELTCTL), qui sont couverts par les normes TIA et ISO M.I.C.E. Lors des tests, les limites des normes M.I.C.E. peuvent être sélectionnées dans votre appareil de test pour correspondre au niveau « E » des environnements - E1 pour les bureaux des environnements commerciaux, E3 pour les environnements proches de sources EMI puissantes et E2 pour les câbles entre les zones E1 et E3.
Bien entendu, au cours de ces tests, vous devez également vous assurer que votre testeur dispose de la bonne interface et de la bonne configuration de test. Dans les déploiements industriels, il est courant de voir des câbles raccordés avec des connecteurs de type M12 dans une configuration point à point sans connexions transversales ni interconnexions, ce qui en fait essentiellement un long cordon de raccordement. Comme le test des canaux n'inclut pas les performances des fiches aux deux extrémités, l'ISO/CEI a ajouté des limites de test de bout en bout (E2E) à la norme 11801-3 ; ces tests peuvent être réalisés en utilisant les adaptateurs DSX M12D ou M12X disponibles avec les appareils de test de la série DSX CableAnalyzer. Il est courant de voir certaines de ces liaisons industrielles point à point se terminer par un connecteur de type M12 à une extrémité et un connecteur de type RJ45 à l'autre. Dans ce cas, vous aurez besoin d'un adaptateur M12 à une extrémité et d'un adaptateur de cordon de raccordement à l'autre puisque c'est ce qui est utilisé pour tester les performances de la fiche RJ45 à raccordement sur site.
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