Quelles sont les nouveautés du réseau Ethernet industriel ?

Série 18 octobre 2018 / 101

De par sa fiabilité, ses performances et son interopérabilité intrinsèques, l’Ethernet s’est infiltré dans l’usine en tant que protocole de communication de choix pour les systèmes d’automatisation et de contrôle. Cette année, l’Ethernet industriel a dépassé la part de marché des protocoles de bus domotiques traditionnels qui nécessitent généralement plusieurs installations de câblage distinctes et propriétaires.

Pour répondre aux besoins de l'environnement industriel, l’Ethernet industriel utilise essentiellement des protocoles industriels spéciaux encapsulés dans le protocole Ethernet de manière à garantir que les informations correctes sont envoyées et reçues lorsque et où il est nécessaire d'effectuer une opération spécifique. Examinons ces protocoles et les différences entre les réseaux Ethernet industriels et l'environnement LAN Ethernet commercial.

Les quatre grands protocoles

La communication industrielle se produit au niveau de l’acheminement, du contrôle et du capteur - chacun d’eux nécessitant différents niveaux de transfert d’informations en temps réel, de détection des collisions et de déterminisme (déterminant essentiellement à l’avance le chemin à suivre entre deux nœuds). Bien que plusieurs protocoles Ethernet industriels prennent en charge diverses exigences de communication en usine, il convient de mentionner quatre acteurs principaux : Modbus TCP/IP, EtherCat, EtherNet/IP et Profinet

Le premier protocole Ethernet industriel introduit par Modbus TCP/IP est essentiellement une communication Modbus traditionnelle compressée dans un protocole de couche de transport Ethernet pour le transfert de données discrètes entre des appareils de contrôle. Il utilise une simple communication maître-esclave où le nœud « esclave » ne transmettra pas de données sans demande du nœud « maître », mais il n'est pas considéré comme un protocole en temps réel.

Introduit en 2003, EtherCAT est un protocole Ethernet industriel offrant une communication en temps réel dans une configuration maître/esclave pour des systèmes d’automatisation. L’élément clé d’EtherCAT est la possibilité pour tous les esclaves en réseau d’extraire uniquement les informations pertinentes dont ils ont besoin dans les paquets de données et d’insérer des données dans la trame lorsqu’elle est transmise en aval - souvent appelée communication « à la volée ».  

Initialement publié en 2000, Ethernet/IP est un protocole Ethernet industriel de couche d’application largement utilisé, pris en charge par l’ODVA (Open Device Vendors Association) et fourni principalement par Rockwell Automation. Il s'agit du seul protocole Ethernet industriel entièrement basé sur les normes Ethernet et utilisant les couches Ethernet, physique, liaison de données, réseau et de transport standard. Comme il utilise la commutation Ethernet standard, il peut prendre en charge un nombre illimité de nœuds. Cependant, il requiert une plage limitée pour éviter la latence et prendre en charge les communications en temps réel.

Un autre acteur important (principalement dû aux systèmes d’intégration Siemens et GE) est Profinet, un protocole d’application développé par Siemens en collaboration avec les sociétés membres d’une organisation d’utilisateurs Profibus. Il étend essentiellement la communication du contrôleur d’E/S Profibus à Ethernet en utilisant des commutateurs spéciaux intégrés aux appareils.

Caractéristiques des installations de câbles

Lorsqu’il s’agit d’installations de câbles prenant en charge ces réseaux Ethernet industriels, il existe certaines différences essentielles par rapport au réseau local Ethernet commercial. Premièrement, les débits Ethernet industriels sont bien inférieurs au gigabit et présentent des besoins en bande passante plus élevés que ceux du réseau local - les débits courants utilisés dans les réseaux Ethernet industriels sont autour de 100 Mb/s. Cela est logique car la bande passante nécessaire pour envoyer des informations de contrôle et d'automatisation dans un réseau industriel ne représente qu'une fraction du débit nécessaire pour télécharger une vidéo à partir de YouTube.

Étant donné que les environnements industriels nécessitent des câbles et une connectivité qui doivent prendre en charge diverses conditions difficiles - vibrations, liquides, poussière, produits chimiques et interférences électromagnétiques - les composants sont plus robustes que ceux utilisés dans les réseaux locaux bureautiques. Par exemple, alors que le câble peut ne nécessiter que des performances de Catégorie 5 ou catégorie 5e, les câbles industriels présentent souvent un calibre supérieur (généralement de 22 AWG) pour résister à des températures plus élevées, une construction blindée pour la prévention du bruit, des conducteurs torsadés pour la souplesse et des gaines spéciales comme le polyuréthane pour la résistance aux produits chimiques, à l'huile et à l'abrasion. Les conducteurs peuvent même être recouverts pour empêcher la corrosion. Ces caractéristiques présentent un coût beaucoup plus élevé pour les câbles Ethernet industriels que pour les câbles LAN courants.

Les connecteurs utilisés dans les réseaux Ethernet industriels doivent également être plus robustes. Des caractéristiques telles que l’étanchéité pour empêcher la poussière et l’humidité de pénétrer et des matériaux résistant aux produits chimiques sont disponibles sur les connecteurs RJ45 robustes conçus pour être utilisés dans des environnements industriels, les connecteurs M12 sont plus largement utilisés dans les réseaux Ethernet industriels en raison de leur forme circulaire réduite et de leur filetage de verrouillage de 12 mm qui permet de maintenir une connexion fiable même en cas de choc ou de vibration. De plus, les connecteurs M12 sont généralement disponibles avec une gamme plus étendue d'options de protection contre la pénétration pour résister aux lavages à haute pression et à la corrosion.

Disponibles en configurations rectilignes et coudées pour une variété de connexions de machines, les connecteurs M12 les plus courants comportent 4 ou 8 broches. La configuration à 4 broches prend en charge les débits de 100 Mb/s rencontrés dans la plupart des applications Ethernet industrielles, tandis que la configuration à 8 broches est requise pour le Gigabit Ethernet qui utilise les quatre paires pour la transmission - cela vous semble-t-il familier ? En ce qui concerne la PoE, le M12 à 4 broches peut également uniquement prendre en charge la PoE de type 1 avec une alimentation continue délivrée simultanément avec les données sur les mêmes paires, tandis que le M12 à 8 broches est requis pour le type 2 et plus. Les assemblages de câbles M12 RJ45 sont également assez courants lorsqu'une seule extrémité du câble doit être connectée à la machine où les chocs et les vibrations sont présents.

Alors que le réseau Ethernet industriel continue à se développer et que les organismes de normalisation élaborent des normes pour le prendre en charge, Fluke Networks vous tiendra au courant de la façon de tester et de certifier ces systèmes… voir plus de ressources relatives à l'Ethernet industriel.

Les connecteurs utilisés dans les réseaux Ethernet industriels doivent également être plus robustes. Des caractéristiques telles que l’étanchéité pour empêcher la poussière et l’humidité de pénétrer et des matériaux résistant aux produits chimiques sont disponibles sur les connecteurs RJ45 robustes conçus pour être utilisés dans des environnements industriels, les connecteurs M12 sont plus largement utilisés dans les réseaux Ethernet industriels en raison de leur forme circulaire réduite et de leur filetage de verrouillage de 12 mm qui permet de maintenir une connexion fiable même en cas de choc ou de vibration. De plus, les connecteurs M12 sont généralement disponibles avec une gamme plus étendue d'options de protection contre la pénétration pour résister aux lavages à haute pression et à la corrosion.

Disponibles en configurations rectilignes et coudées pour une variété de connexions de machines, les connecteurs M12 les plus courants comportent 4 ou 8 broches. La configuration à 4 broches prend en charge les débits de 100 Mb/s rencontrés dans la plupart des applications Ethernet industrielles, tandis que la configuration à 8 broches est requise pour le Gigabit Ethernet qui utilise les quatre paires pour la transmission - cela vous semble-t-il familier ? En ce qui concerne la PoE, le M12 à 4 broches peut également uniquement prendre en charge la PoE de type 1 avec une alimentation continue délivrée simultanément avec les données sur les mêmes paires, tandis que le M12 à 8 broches est requis pour le type 2 et plus. Les assemblages de câbles M12 RJ45 sont également assez courants lorsqu'une seule extrémité du câble doit être connectée à la machine où les chocs et les vibrations sont présents.

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