Ethernet industriel - En savoir plus

En savoir plus Câblage cuivre de l’Ethernet industriel

  • Initialement développé au Palo Alto Research Center (PARC) de Xerox dans les années 70, l’Ethernet est devenu le système de réseau le plus répandu au monde. Au fil des décennies qui ont suivi, des modifications et des extensions considérables des normes ont permis à l’Ethernet de prendre en charge une grande variété d’applications qui n’avaient jamais été envisagées par les développeurs.

    Une de ces applications est l’Ethernet industriel. Les fournisseurs et les organisations de normalisation ont adopté la couche physique Ethernet sous-jacente pour créer diverses technologies, telles que PROFINET, Ethernet/IP (protocole industriel), EtherCAT et Modbus-TCP, optimisées pour l’automatisation industrielle.

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    Figure 1. Écran du DSX CableAnalyzer™ affichant les limites de test pour différentes configurations de câbles de bout en bout, notamment les limites E1, E2 et E3.

    Normes de câblage et connecteurs

    Toutes les applications d’Ethernet industriel sont conçues pour fonctionner avec un câblage à paires torsadées en cuivre ou à fibre optique similaire à celui utilisé dans l’Ethernet « traditionnel », avec les modifications nécessaires aux environnements d’usine. L’Organisation internationale de normalisation (ISO) ainsi que la Telecommunications Industry Association (TIA) ont élaboré un ensemble de caractéristiques permettant de définir les conditions environnementales potentielles sur les sites industriels. Celles-ci sont connues sous les spécifications Mécanique, Infiltration, Climat/Chimique, Électromagnétique (MICE). Les niveaux MICE décrivent divers degrés de conditions environnementales, MICE 1 définissant un environnement de bureau typique, MICE 2 un environnement légèrement plus difficile et MICE 3 un environnement d’industrie lourde.

    Pour répondre à ces exigences, les fournisseurs ont mis au point des câbles et des connecteurs spécialisés. Cela comprend un câblage pouvant fonctionner lorsqu’il est écrasé, chauffé, immergé ou exposé à des produits chimiques caustiques. Dans la plupart des cas, cela affecte les exigences relatives à la gaine extérieure du câble, tandis que les caractéristiques électriques restent les mêmes, qu’il s’agisse de MICE 1 ou MICE 3. Cependant, une différence notable se trouve dans les exigences électromagnétiques, où des exigences spécifiques concernant la perte de conversion transversale (TCL) sont appliquées pour E1, E2 et E3. Cette spécification mesure la capacité du câble à résister aux interférences de signaux électriques extérieurs tels que ceux générés par les soudeurs, les variateurs de vitesse et les alimentations haute tension.

    Les connecteurs font l’objet d’un examen particulier car ils peuvent constituer un point d’infiltration. Une solution consiste à enfermer le connecteur modulaire standard à 8 broches (RJ-45) dans un réceptacle scellé et vissé. Ce connecteur présente l’avantage d’être compatible avec la plupart des appareils et câbles Ethernet « classiques ». Le connecteur « M12 » a été développé pour des applications plus rigoureuses en matière de choc et de vibration. Il comporte un petit connecteur à vis de verrouillage rond pouvant comprendre deux paires (M12-D) ou quatre paires (M12-X). Une configuration de câblage industrielle commune comprendra un connecteur modulaire à 8 broches à une extrémité du câble connecté à un connecteur M12 de l’autre.

    Problèmes de câblage

    Figure 2. Écran du DSX CableAnalyzer affichant les résultats de test satisfaisants pour une liaison TIA 1005 de catégorie 6A avec limites E2.

    Plus de la moitié des problèmes de l’Ethernet industriel peuvent être attribués au câblage. Certains de ces problèmes apparaissent immédiatement lors du processus de démarrage. D'autres peuvent permettre à la connexion de fonctionner correctement jusqu’à ce que des changements environnementaux entraînent des pannes de communication. L’Ethernet est une technologie robuste qui permet aux communications de continuer même dans des circonstances marginales. Toutefois, une modification de ces circonstances pourrait entraîner des problèmes de communication ou une panne intégrale à long terme. Voici les problèmes les plus courants liés au câblage.

    Connectivité : l’exigence la plus élémentaire pour le câblage est que les broches à une extrémité soient connectées aux broches appropriées à l’autre extrémité. Toute erreur ou discontinuité du câblage provoquera une perte de communication totale. Un problème de câblage moins bien compris est ce que l’on appelle le « dépairage », lorsque les broches sont connectées aux connecteurs appropriés à l’autre extrémité, mais que l’appariement des câbles est incorrect. Cela peut conduire à des pannes intermittentes ou totales.

    Longueur : en général, les câbles Ethernet ont une longueur maximale de 100 mètres. Des câbles trop longs peuvent causer des problèmes de deux manières. Tout d’abord, le signal s’affaiblit en parcourant le câble. Si ce dernier est trop long, il est possible que le signal soit trop faible pour être reçu correctement de l’autre côté. Deuxièmement, l’Ethernet est conçu pour recevoir une réponse dans un certain délai. Le retard causé par un câble trop long peut interférer avec ce délai. Chacune de ces erreurs peut entraîner des pannes totales ou des problèmes intermittents. Par exemple, étant donné que les pertes sur un câble augmentent avec la température, un câble trop long peut transmettre de manière acceptable à des températures inférieures, mais échouer à des températures plus élevées.

    Diaphonie : il s’agit d’une mesure de l’interférence électromagnétique entre des paires dans un câble. Par exemple, un signal transmis sur la paire d’envoi pourrait générer un signal d’interférence sur la paire de réception. Le transmetteur peut interpréter cette interférence comme un signal entrant et arrêter alors l’envoi. Là encore, cela peut provoquer des pannes totales ou intermittentes. La diaphonie augmente avec la fréquence du signal, ce qui en fait le facteur déterminant de la performance maximale d’un câble de réseau.

    Figure 3. Le DSX CableAnalyzer affichant les résultats d’un test de niveau E3 échoué. Notez l’échec TCL.

    Intégrité du blindage : dans l’Ethernet industriel, de nombreux câbles comportent un blindage, généralement une feuille métallique qui enveloppe chaque paire à l’intérieur de la gaine de câble externe. Le but de ce blindage est de réduire l’effet des interférences électromagnétiques (EMI) externes, qui peuvent provenir d’appareils à haute tension ou à haute intensité proches du câble. Les interférences électromagnétiques peuvent provoquer des erreurs de transmission sur le câble, entraînant des ralentissements voire des pannes totales. Le dépannage peut s’avérer très difficile, car le problème ne se produit que lorsque les interférences sont suffisamment importantes pour dépasser l’équilibre du signal, par exemple lorsqu’un moteur proche démarre ou qu’un outil de soudage est utilisé. Pour que le blindage fonctionne efficacement, il est essentiel que le câble soit blindé sur toute sa longueur (une seule rupture dans la continuité du blindage peut réduire considérablement ses performances). Par conséquent, les tests de blindage doivent pouvoir garantir que tout le câble est blindé. Cette mesure est particulièrement difficile, car le blindage est généralement mis à la terre. Les mesures en courant continu simples ne pourront pas déterminer si le blindage est continu s’il est mis à la terre des deux côtés.

    Perte de conversion transversale (TCL) : il s’agit d’une mesure de « l’équilibre » du câble, c’est-à-dire sa capacité à transmettre des signaux égaux sur les deux fils d’une paire. Les câbles à paire torsadée atteignent un haut niveau d’immunité au bruit, en s’appuyant sur le différentiel entre les signaux égaux mais opposés sur les deux fils d’une paire. Si le câblage rend les signaux inégaux, le bruit externe peut provoquer des interférences avec les signaux et les déformer au point qu’ils ne puissent plus être reconnus par l’appareil récepteur. Comme cela est mentionné ci-dessus, les problèmes d’interférences électromagnétiques peuvent être très difficiles à isoler et à résoudre. Pour faire face à ce problème, les organismes de normalisation ont défini des exigences TCL pour le câblage des environnements MICE E1, E2 et E3.

    Il est important de noter que l’utilisation de câbles et de connecteurs certifiés par le fabricant pour répondre aux exigences mentionnées ci-dessus, est essentielle pour assurer un fonctionnement sans erreur, mais cela n’est pas garanti. Parfois, même les meilleurs fournisseurs peuvent produire un produit non conforme aux spécifications et, plus généralement, des techniques d’installation inappropriées peuvent transformer des composants de qualité supérieure en un lien peu performant.

    Le test des câbles signifie un temps de disponibilité plus important

    Figure 4. Le DSX CableAnalyzer peut détecter une grande variété de défauts de câblage et les afficher de manière compréhensible pour tout technicien.

    Les sociétés dotées des outils de test de câble appropriés et d’une compréhension de base de leur utilisation peuvent les utiliser pour augmenter leur temps de disponibilité de trois manières :

    Mise en route plus rapide : mesurer les paramètres indiqués ci-dessus avant de connecter un câble, il s'agit du seul moyen de s’assurer qu’il répond à toutes les spécifications requises et qu’il fonctionnera donc correctement.

    Prévenir les temps d’indisponibilité imprévus : le fait qu’un câble puisse transmettre des données au démarrage ne garantit pas qu’il continuera de fonctionner en toutes circonstances. Les modifications de l’environnement après l’installation peuvent entraîner des pannes. Si le câble est testé en fonction des paramètres indiqués ci-dessus et qu’il est validé, les risques de défaillance ultérieure du câble en fonction de ces facteurs, peuvent être éliminés.

    Résoudre les problèmes plus rapidement : même un câble testé peut tomber en panne en raison de négligences, telles qu’une coupure , une déconnexion ou une fusion accidentelles. En cas de défaillance du réseau, le fait de pouvoir diagnostiquer rapidement un problème de câblage permet de gagner un temps considérable. Plutôt que de passer des heures à remplacer un câble suspect, quelques secondes de test permettent de vérifier s’il fonctionne correctement, ainsi les efforts de dépannage peuvent être concentrés ailleurs. Par ailleurs, si le câble est défectueux, les diagnostics de l’appareil de test peuvent identifier le problème. Par exemple, le fait de savoir que la panne se trouve au niveau du connecteur à une extrémité, signifie que quelques minutes suffiront pour remplacer le connecteur au lieu de perdre plusieurs heures à rediriger le trafic sur un nouveau câble.

    En résumé, le test des câbles une fois installés peut permettre d’accélérer le processus de démarrage et éviter les problèmes à venir. En cas de panne, avoir un appareil de test de câble à portée de main peut permettre d’éviter de perdre des heures en dépannage et de limiter les temps d’indisponibilité.

    Outils de test de câbles pour l’Ethernet industriel

    Les outils de test de câbles peuvent être divisés en deux catégories : appareils de test pour le pré-déploiement et le dépannage.

    Appareils de test pour le pré-déploiement (certification) : ces outils permettent de tester tous les paramètres de câblage mentionnés ci-dessus, y compris la diaphonie, l’intégrité du blindage et le TCL. La série DSX CableAnalyzer est le seul appareil de test de câble capable de mesurer tous ces paramètres, y compris l’intégrité du blindage sur toute la longueur du câblage. L’appareil de test fournit un résultat RÉUSSITE ou ÉCHEC et peut générer un rapport à des fins de documentation. Le fait de tester avec un outil de certification avant le démarrage, est le seul moyen de savoir si le câble répond à toutes les spécifications requises indiquées ci-dessus et constitue le meilleur moyen de prévenir les problèmes de câblage. Ces outils peuvent également être utilisés pour le dépannage et permettent de localiser non seulement des câbles cassés, mais également des problèmes plus complexes, tels que de l’eau dans un câble ou un connecteur non conforme aux spécifications.

    Outils de dépannage : ces outils vérifient que le câblage a été correctement connecté (y compris le test de dépairage) et peuvent mesurer la longueur du câble et localiser l’emplacement de ruptures sur le câble. Cela peut permettre de gagner beaucoup de temps, même si le câble n’est pas en cause, en éliminant le câblage en tant que problème permettant à l’équipe de se concentrer sur le problème.

    Les équipes ne pouvant pas investir dans des appareils de test pour certification, peuvent toujours en bénéficier pour de nouveaux projets, soit en les louant, soit en faisant appel à un sous-traitant en câblage pour tester le câble avant la mise en route. Le faible coût des outils de dépannage leur permet d’être à portée de main dans toutes les installations, éliminant ainsi le temps nécessaire à la location ou à la sous-traitance en cas de défaillance. Leur coût est facilement récupéré grâce au temps gagné à résoudre une seule panne de réseau.

    Comparaison des produits de test de câbles Fluke Networks pour l’Ethernet industriel

      MicroScanner  CableIQ  Série DSX 
    Application primaire  Dépannage  Dépannage  Installation, dépannage 
    Connectivité 
    Longueur 
    Diaphonie     
    Intégrité du blindage     
    TCL     
    Rapports   
    Recherche de panne  Basique  Basique  Avancé 
    Support M12  Option  Option  Standard