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S olutionsRÉSEAUX INDUSTRIELS

La connectique se durcit pour supporter la décentralisationLa répartition des équipements au plus près des capteurs conduit à des architec-tures plus flexibles et à des gains en maintenance et en câblage. Mais cela implique une plus grande robustesse des composants du réseau. A l’image du connecteur RJ45 issu du monde bureautique qui a dû être durci en descendant peu à peu dans l’atelier. Mais aucun standard n’est ressorti du lot. De plus, malgré leur multiplica-tion sur les équipements industriels, les ports RJ45 robustes n’ont pas supplanté le connecteur M12 que l’on retrouve encore au plus près des capteurs.

En évoquant la connectique indus-trielle, on entend tout et son con-traire… Qu’on la considère comme la “colonne vertébrale d’une archi-

tecture” ou comme un “simple support physique de l’information”, certains choix doivent toutefois faire l’objet d’une réflexion. En matière de câblage d’atelier, plusieurs écoles s’affrontent : d’un côté, les défenseurs d’une logique câblée traditionnelle, et de l’autre, ceux qui veulent profiter des avantages d’une “intelligence décentralisée”.

La logique câblée comme point de départDans un concept de logique câblée, on utilise des liaisons filaires classiques (point à point) pour véhiculer des informations brutes en provenance directe des capteurs. Ces dernières sont centralisées pour être traitées au sein d’un automate unique. Dans les architectures de ce type, en vogue dans les années 70-80, tous les composants d’automatismes sont regroupés dans une armoire électrique, de

laquelle ne sortent que les fils qui relient l’automate aux capteurs. Cette architecture se retrouve encore aujourd’hui dans quelques usines. Mais les grandes longueurs de câblage augmentent le risque de pannes, ainsi que le temps nécessaire pour diagnostiquer ces pannes.Les premiers bus de terrain, mis en place dans les années 90, ont réduit les distances de câblage (un seul câble parcourt tous les borniers d’E/S). Logique câblée et bus de terrain autorisent des applications détermi-nistes sans perte de données. En revanche, il s’agit d’architectures centralisées, c’est-à-dire que tous les composants sont installés dans une armoire électrique. Or on s’aperçoit progressivement que cela peut se révéler coûteux en cas de panne. En effet, la multi-plication des composants dans une seule armoire conduira à l’ouvrir plus fréquem-ment, pour des opérations de maintenance ou de mise à jour. Les équipements seront plus souvent exposés à un environnement saturé en humidité, huile, poussières, etc. Et

ils peuvent parfois en souffrir. Enfin, les archi-tectures centralisées ne favorisent pas la flexi-bilité : à la conception, une armoire électrique est toujours dimensionnée au plus juste, et il sera donc difficile d’y rajouter des élé-ments par la suite.La distribution de l’intelligence (ou intelli-gence décentralisée) apporte des réponses à ce manque de disponibilité et de flexibilité. Le concept est apparu récemment, en même temps que les réseaux de terrain basés sur Ethernet, mais s’applique également aux bus de terrain. Car réseaux et bus de terrain utili-sent des protocoles pour mettre en forme les données. Elles sont encapsulées sous forme de trames, et l’automate se contente d’attendre les événe-ments pour déclencher les actions correspon-dantes. Ainsi, plusieurs “petits” automates peuvent effectuer le travail d’un système centralisé, d’où le terme décentralisation. La maintenance des capteurs, le calibrage ainsi que le diagnostic sont effectués à dis-tance, ce qui sim-

Les versions déterministes des réseaux Ethernet descendent dans l’atelier.

Les architectures se décentralisent : blocs d’E/S déportées et commutateurs sortent des armoires et embarquent toujours plus d’intelligence.

Le standard M12 reste largement dominant côté capteurs et actionneurs.

La connectique RJ45 se durcit, mais la nécessité d’un standard industriel n’est pas d’actualité. Le débit du connecteur M12 est encore suffisant pour la majorité d’applications.

L’essentiel

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plifie beaucoup le travail d’intervention. De plus, une architecture à plusieurs auto-mates favorise la flexibilité du système. L’industrie automobile, par exemple, passe progressivement au concept “zéro armoire électrique”. Il ne reste que l’automate dans l’armoire, quand il n’est pas remplacé par des calculateurs durcis placés au plus près des machines. Tout le reste (commutateurs, borniers d’E/S, etc.) est déporté. L’application gagne en modularité et le nombre de câbles est réduit. Enfin, la recherche de panne est facilitée par les LED de diagnostic que l’on trouve sur tous ces équipements réseau.

Le durcissement des blocs d’Entrées/SortiesEn sortant des armoires, les commutateurs se durcissent, tout comme les borniers d’E/S classiques, qui se transforment en boîtiers de répartition (ou répartiteurs). Ces derniers effectuent la liaison entre les capteurs et le commutateur et transforment le signal délivré

par les capteurs en informations formatées spécialement pour le protocole choisi. Certes plus chers, ces répartiteurs sont durcis et le plus souvent étanches à la poussière et à l’eau, que ce soit pour une simple projection d’eau (indice IP65) ou une véritable immer-sion (indice IP67). Et toute l’électronique embarquée est fondue dans une résine, ce qui assure la résistance aux chocs, aux vibra-tions ainsi qu’aux perturbations électroma-gnétiques. L’intégralité des constructeurs assure que le client y gagne au final sur le coût d’exploitation, par une réduction des coûts de maintenance et des temps d’arrêt. Mais ils doivent être équipés de connecteurs adaptés pour ne pas perdre ces caractéristi-ques de durcissement.

Choix des connecteurs : le format M12 domineQue l’on choisisse ou non un réseau de ter-rain basé sur Ethernet, les connecteurs de type M12 restent les plus largement répandus. On inclut ici les variantes telles que le M8 et le M5, utilisées pour leur encombrement réduit (applications robotiques, par exemple).

Les connecteurs pour réseaux de terrain sont des connecteurs M12 “codés D”. Cette déno-mination les différencie des connecteurs pour liaisons filaires classiques, allant du répartiteur vers les capteurs, qui utilisent eux un codage A ou B. D’une version à l’autre, ce sont le nombre de contacts et la forme du détrompeur qui changent. Ainsi, il est phy-siquement impossible de brancher un câble en provenance d’un capteur sur une prise réseau, et inversement.Les connecteurs M12 disposent de plusieurs systèmes de verrouillage différents. Le ver-rouillage par baïonnette, d’abord, est de moins en moins utilisé du fait du trop grand espace qu’il faut laisser entre les connecteurs (l’opérateur doit disposer de la place néces-saire pour faire faire un quart de tour au câble). Le système de verrouillage à vis, quant à lui, est toujours largement répandu. Mais il présente tout de même quelques inconvénients. D’abord, visser un connecteur prend du temps. Cela a peu d’importance si

l’on n’a que quelques connecteurs à brancher, mais l’opération peut se révéler très longue dans le cas d’architectures complexes. D’autant que l’on court toujours le risque d’abîmer un connecteur s’il n’est pas correctement positionné, et que ce risque augmente avec le nombre de connexions à effectuer. Enfin, avec un système à vis, il n’est pas évident d’obtenir le couple de serrage approprié. Certains proposent des clefs dynamométri-ques spécialement conçues pour le serrage du M12, mais celles-ci connaissent une dif-fusion relativement confidentielle. José Batista, directeur marketing chez Weidmüller France, avertit que : « seul le respect du couple de serrage préconisé par le constructeur garantit le niveau d’étanchéité annoncé. Sur un grand nombre de con-necteurs, il s’en trouve forcément quelques-uns qui ne sont pas suffisamment serrés, et ils peuvent entraîner l’arrêt de toute l’application si de l’eau est projetée dans l’atelier. »Les connecteurs de type “Push Pull” consti-tuent une alternative efficace aux systèmes

Les switches et les blocs de distribution sont les principaux équipements impactés par la décentralisation des architectures. C’est la raison pour laquelle on en trouve chaque jour des versions toujours plus durcies. La décentralisation rend les installations plus flexibles et optimise également leur maintenance. Les dernières générations de produits embarquent en effet des technologies visant à faciliter le diagnostic. Elles sont munies d’afficheurs à LED qui indiquent au technicien

l’adresse IP de l’appareil, mais aussi sa nomination “réelle” au sein de l’applica-tion (celle qu’on lui a donnée lors de l’installation, et qui peut correspondre à sa localisation ou à sa fonction).Les blocs d’Entrées/Sorties déportées auront bientôt un port USB sur lequel on pourra télécharger toutes les informations de configuration. Car il ne s’agit pas d’équipements Plug&Play. Il faut les configurer. Les switches devraient suivre la même tendance. Ils seront bientôt étanches et dotés d’un port USB.

Des fonctions de diagnostic embarquées

La norme IEEE 802.3af, plus connue sous le nom de Power Over Ethernet (PoE), est déjà solidement implantée dans le monde de l’informatique bureautique. Grâce à ce standard, des équipements réseau sont alimentés par le même cordon que celui qui transmet les données. Une solution qui réduit les coûts de câblage, mais qui souffre toutefois de deux limitations : la tension délivrée est fixée à 48 Vcc et la puissance est limitée à 15 Watts. Ces 15 Watts sont suffisants pour alimenter un téléphone IP, une passerelle Wi-Fi ou une petite caméra de sécurité, mais les limites sont vite atteintes. Impossible en effet d’alimenter par PoE une caméra motorisée . Sans compter la nécessité d’installer des transformateurs : le courant 24 Vcc qui parcourt l’atelier doit être transformé pour atteindre les 48 Vcc imposés par le PoE. Ces aspects sont un frein à la généralisation du PoE dans l’industrie, aussi les membres de l’IEEE ont-ils pensé à en concevoir une nouvelle version du PoE. Il s’agit du PoE+, nom de code IEEE 802.3at, qui sera ratifié au cours de l’été 2009. Le principe est d’utiliser deux des paires de cuivre torsadées pour transmettre la puissance (au lieu d’une seule pour le PoE). La puissance est portée à 30 Watts. Principal bénéfice pour l’industrie : le PoE+ peut alimenter des IHM, des systèmes de vision ainsi que quelques types d’actionneurs et de PC clients légers. Dans l’informatique bureautique, on pourra l’utiliser pour des points d’accès WiMAX, des téléphones avec fonctions vidéo, des kiosques points de vente et même des PC portables. Un autre avantage du PoE+, et non le moindre, est le fait qu’il utilise une tension d’entrée de 24 Vcc. Plus besoin d’employer de transformateurs. Mais deux fois plus de puissance et une tension deux fois plus faible impliquent que le câble encaisse un courant quatre fois plus important qu’en PoE classique. Un défi pour les ingénieurs chargés de développer ce nouveau système d’alimentation. Malgré ses atouts apparemment évidents le PoE+ aura-t-il le succès attendu ? Il faut dire que les détracteurs de ces systèmes d’alimentation sont nombreux. La sécurité d’alimentation prime le plus souvent sur les gains en coûts de câblage (on reproche au PoE le fait que le déclen-

chement d’un arrêt d’urgence coupe l’alimentation de toutes les machines, par exemple). De la même manière, beaucoup d’équipements ont besoin d’une alimentation redondante. Elle sera possible sur des équipements prévus pour le dual-homing (deux liaisons Ethernet redondantes), mais cette fonction reste réservée aux équipements haut de gamme. Pour finir, il faut noter que le protocole PoE actuel ne peut être utilisé que sur des câbles disposant d’une paire torsadée libre. Impossible donc d’alimenter un appareil relié à une connectique M12 qui n’est dotée que de deux paires torsadées (une pour l’émission et une pour la réception). Des solutions basées sur des techniques proches de celles du CPL (courant porteur en ligne) existent. Mais cette technique de transport simultané de courant et de signaux sur un même câble est jugée trop peu fiable pour l’industrie. Le PoE+, quant à lui, utilise deux paires torsadées dédiées à l’alimentation. Il est donc nécessaire de disposer d’un réseau Gigabit Ethernet, qui a deux paires libres.

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PoE+ : l’alimentation par le réseau s’adapte aux contraintes industrielles

Un exemple type d’une machine à architecture

décentralisée : on s’aperçoit que

les blocs de répartition des Entrées/Sorties

ne sont plus enfermés dans

l’armoire électrique. Ils sont répartis sur la machine, au plus

près des capteurs. Une machine conçue

selon ce principe gagne en flexibilité

(elle peut être modifiée

simplement) ainsi qu’en disponibilité

(les blocs de répartition ont des

LED pour faciliter le diagnostic).

Contrairement aux connecteurs Push Pull traditionnels, le système Ultra Lock de Molex émet un son à la connexion : un “clic” qui assure de l’étanchéité IP67.

Molex lance le premier module de connecteurs PoE+ du marché, à destination des constructeurs d’équipements réseau. Douze ports qui peuvent délivrer jusqu’à 30 W chacun.

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à vis. Disponibles sous différentes appel-lations auprès des principaux fabricants de connecteurs, ils souffrent d’une adoption encore faible malgré d’intéressantes caracté-ristiques : ils sont beaucoup plus rapides à installer tout en restant aussi résistants et étanches que les systèmes à vis. Il suffit en effet d’appuyer sur le connecteur pour que celui-ci soit branché, et cela sans erreur pos-sible. Pas de bague à serrer, donc pas de risque de perte d’étanchéité : si le connecteur tient, la liaison est étanche. De plus, ils disposent de la même durée de vie que les connecteurs à vis (jusqu’à 1 000 cycles de connexions/déconnexions environ), et la plupart des modèles restent compatibles avec les con-necteurs M12 à vis. Un capteur muni d’un connecteur à vis peut être branché sans pro-blème sur un boîtier de répartition équipé en Push Pull, ce qui évite d’avoir à modifier les connecteurs de tous les capteurs. Pourtant, malgré ces atouts, le marché européen reste frileux à l’adoption de ces connecteurs. Selon Antony Nguyen, responsable marketing automation et informatique industrielle chez Factory Systèmes, « une partie des clients n’en a simplement jamais entendu parler, faute d’une com-munication suffisante, alors que d’autres n’ont pas encore suffisamment confiance dans leur robustesse, mais en général une simple démonstration suffit ».Plus confidentielles, certaines technologies basées sur le standard M12 sont réservées à

des applications spécifiques. La technolo-gie IDC (Insulated Displacement Connectors), par exemple, sera préconisée dans le cas où un grand nombre de connections doivent être réalisées sur des fils nus. « Le sertissage des contacts se fait sans outil, par la rotation d’une pièce au centre du connecteur », explique Jérôme Mestre, responsable des produits de commu-nication chez Weidmüller France. De nombreux autres systèmes propriétaires ont également été développés par les constructeurs. « Des connecteurs qui, par exemple, véhiculent à la fois des signaux porteurs d’informations et des signaux de puissance, ou d’autres qui s’insèrent dans des boîtiers modulaires offrant de multiples combinaisons de connexions dans un seul boîtier », commente Bernard Montrelay, responsable de l’activité réseaux industriels chez Harting.

Le RJ45 s’efforce de s’adapter à l’industrieLes connecteurs RJ45 se sont popularisés avec l’avènement des réseaux Ethernet, mais ils sont néanmoins restés cantonnés au monde de l’informatique bureautique puis-qu’il était impensable d’employer des con-necteurs non durcis dans des environne-ments industriels. Mais surtout, le manque de déterminisme du protocole Ethernet lui-même ne jouait pas en sa faveur. Les réseaux Ethernet ont donc longtemps été réservés au dialogue entre machines et à la remontée des informations vers les systèmes d’entreprise. La plupart des machines se sont alors dotées d’un port Ethernet RJ45 standard, protégé par un capot. Mais les applications devenant de plus en plus complexes, le trafic entre les machines et les switches Ethernet s’est con-

sidérablement accru. Aussi les connecteurs RJ45 ont-ils commencé à trouver un intérêt dans les ateliers puisque les connecteurs M12, de par leur conception à deux paires torsadées, ne supportent pas des débits su-périeurs à 100 Mb/s (protocole Fast Ethernet). Des versions durcies des connecteurs RJ45, préconfectionnés ou sous forme de bagues à placer autour de la prise RJ45, sont alors apparues sur le marché. Principale ombre au tableau : l’absence de standard qui impose de choisir une solution chez un constructeur et de s’y tenir.

M12 ou RJ45 durci : une différence de débit, mais pas seulementLes connecteurs RJ45 durcis fleurissent là où la nécessité d’un réseau à haut débit de type Gigabit Ethernet se fait sentir, c’est-à-dire entre les switches. Mais au-delà des réparti-teurs, le standard M12 garde la préférence des utilisateurs. Antony Nguyen (Factory Systèmes) estime que « cette solution va rester pérenne encore longtemps, car les capteurs consom-ment très peu de bande passante. Le volume des don-nées échangées ne dépasse jamais quelques centaines de kilo-octets. Et même le flux provenant d’une caméra de surveillance ne représente pas plus de 5 Mb/ s. L’installation d’un réseau Gigabit Ethernet jusqu’aux capteurs est donc loin de se justifier ». Il ne faut pas confondre débit et vitesse de trans-mission des informations. L’augmentation de l’un ne conduit pas à celle de l’autre. Débit et vitesse de transmission sont des paramètres bien distincts. Il suffit de se représenter une autoroute : par analogie, on peut considérer que le débit correspond au nombre de voies de circulation, et que la vitesse de transmis-

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sion correspond à la vitesse des véhicules sur ces voies. Ainsi, malgré leur débit limité à 100 Mb/s, les connecteurs M12 ont encore de beaux jours devant eux. De plus, leur caractère standard rassure les fabricants de capteurs. Mais si l’intelligence continue à se décentraliser et atteint les capteurs et action-neurs (ils sont déjà nombreux à embarquer des fonctions de diagnostic), leurs fabricants devront un jour adapter leur connectique au haut débit. Ils devront alors choisir l’une ou l’autre des solutions RJ45 durcies du marché. A moins qu’émerge d’ici là un standard RJ45 durci ou tout autre connecteur qui allie la robustesse du M12 avec les hauts débits du RJ45.Il existe cependant des applications pour lesquelles des investissements dans des ré-seaux haut débit se justifient. C’est le cas des marchés du ferroviaire, de l’embarqué et de la Défense. Pour ces secteurs, les connecteurs sont conçus pour encaisser des niveaux élevés de vibrations, de chocs et de perturbations électromagnétiques, mais il y a également des besoins en bande passante très impor-tants. Les constructeurs de trains, par exemple, doivent relier toutes les voitures par un réseau Gigabit Ethernet. « Des solutions sont donc déve-loppées pour répondre à ces applications, commente Thierry Besrest, responsable de la prescrip-tion grands comptes chez Reichle & de Massari (R&M). Mais ces connecteurs très robustes et à haut débit resteront limités à ces secteurs très ciblés. Ils sont trop coûteux pour la plupart des autres applications, et ne pourront en tout cas s’imposer en tant que stan-dard utilisé par tous. »Bien entendu, il faut faire attention à choisir des câbles adaptés à l’industrie. A chaque catégorie de câble (Cat.3, Cat.5, Cat.6, etc.) correspond un niveau de blindage contre les perturbations électromagnétiques, et cela

détermine le débit maximum admissible par le câble. Mais dans ce domaine, l’utilisateur doit être vigilant vis-à-vis du matériel qu’il achète, et des normes pour lesquelles il pré-tend être certifié. Daniel Detal, chef produit câbles et connectique chez CUC, constate une baisse dans la qualité globale des câbles dis-ponibles sur le marché. « Un marché de plus en plus inondé par des produits de fabricants asiatiques peu scrupuleux, dont les produits sont loin de respec-ter les spécifications qu’ils annoncent. On a, par exemple, décelé des câbles qui, en raison de la hausse du prix du cuivre, ont été fabriqués avec des fils d’alu-minium recouverts de cuivre. Impossible de le détecter à l’œil nu : il faut des testeurs réseau sophistiqués, mais rares sont les entreprises qui en sont équipées ». D’où l’importance de choisir un fabricant reconnu, dès lors que l’application a un caractère critique.

Considérer les performances globales de l’applicationA l’inverse, selon certains fabricants d’auto-matismes, l’importance du câblage peut être relativisée. Pour Thierry Jules-Rosette, ingé-nieur d’applications Electric drives and Control chez Bosch Rexroth, « même avec des cordons de bonne qualité, et malgré les idées reçues, câblage et connectique se révèlent rarement les goulets

d’étranglement d’une application. Au-delà de la vitesse de transmission théorique, il peut être préférable de considérer le temps de réaction réel de l’application. Il faut pour cela mesurer le temps de cycle global, qui inclut l’acheminement et le traitement d’une infor-mation. La conception d’une infrastructure réseau doit donc prendre en compte les temps de traitement dans l’automate et les temps d’encapsulation des données. » On peut toujours choisir un capteur capable de délivrer des informations à une fréquence plus élevée, mais le gain est nul si le bloc de répartition met du temps à encapsuler ces données pour le protocole choisi. Plus im-portant encore, il faut être sûr que l’infor-mation va être transmise. Inutile en effet de choisir un câble de très bonne qualité si l’ap-plication utilise un réseau Ethernet classique. Le protocole Ethernet n’étant pas détermi-niste, le risque qu’une information n’arrive jamais à destination existera toujours. Bien sûr, les réseaux Ethernet industriel amélio-rent les performances globales d’une appli-cation, mais ce n’est pas grâce aux temps de traitement ou de transmission des informa-tions. On entreprend la mise en place d’Ethernet industriel surtout pour créer des systèmes plus flexibles, maintenables à dis-tance, et donc plus productifs.

Frédéric Parisot

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Pour sortir des armoires, les blocs de répartition des Entrées/Sorties doivent se durcir. Tout comme les switches, ils deviennent étanches à la poussière et à l’eau, et sont résistants aux chocs et aux vibrations.

A l’arrivée des réseaux de terrain basés sur Ethernet, les premières applications employaient des connecteurs de type AUI (Attachment Unit Interface). Des connecteurs à 15 pins qui ressem-blent à ceux des ports série ou VGA. On est ensuite passé à du câblage coaxial, aussi appelé BNC (Bayonet Neill Concelman). Il s’agissait alors toujours de transmission à bas débit, de l’ordre du Mégabit par seconde (Mb/s). C’est avec la publication des spécifications du connecteur RJ45 (une évolution du connecteur téléphonique RJ11) que les réseaux ont gagné en débit. En revanche, ils ont perdu en robustesse, étant donné que ces connecteurs très orientés “grand

public” n’ont pas été conçus initialement pour l’industrie. Leur durcissement a été amélioré à l’arrivée du protocole Fast Ethernet, mais uniquement pour ce qui concerne la résistance aux perturba-tions électromagnétiques. Afin d’obtenir de meilleurs débits, il a fallu augmenter le blindage des câbles. Aujourd’hui, depuis l’arrivée des protocoles Ethernet déterministes et grâce à la décentralisa-tion des architectures, fabricants de connectique et d’automatismes travaillent sur des systèmes destinés à rendre étanche le connecteur RJ45. Pour le moment, aucun standard n’a été établi, mais le besoin ne se fait pas encore ressentir.

Du connecteur AUI au RJ45 : la course au débit

Résistance importante à l’arrachement, connecteurs mêlant transmission de signal et transmission de puissance, connecteurs modulaires… Les solutions de connectique propriétaires peuvent adresser absolument toutes les applications.

Chaque fabricant de connecteurs propose sa version de connecteurs RJ45 durcis…

… et des connecteurs M12 Gigabit Ethernet sont désormais disponibles. Une alternative propriétaire au RJ45 Gigabit.

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