Systèmes E/S d'automatisme de process : Tendances du marché, décentralisation et connectivité terrain Ethernet

Définitions clés

• NOA (Namur Open Architecture) – Développé par l'Association des utilisateurs de technologie d'automatisation (NAMUR), NOA ajoute un canal de communication parallèle (sans fil, Bluetooth, 4G/5G, etc.) aux instruments existants, permettant la capture de « données isolées » sans perturber les signaux de contrôle primaires.
• Ethernet – APL™ (Advanced Physical Layer) – Un effort conjoint de fabricants et de l'OPC, ce standard émergent apporte la connectivité Ethernet aux instruments de terrain, supportant de longs câbles et la sécurité intrinsèque pour l'alimentation et les données sur une seule paire.
• OPC UA (Unified Architecture) – Le protocole ouvert, agnostique de plateforme de la Fondation OPC qui facilite la communication machine-à-machine sécurisée et interopérable.
• MTP (Module Type Packages) – Le standard évolutif de NAMUR qui fournit un langage universel pour décrire les caractéristiques des modules, permettant une intégration transparente entre fabricants.

Taille du marché et acteurs majeurs

Le marché mondial des systèmes E/S de process est évalué à un peu plus de 3 milliards $, croissant à un TCAC d'environ 3,7 % (source : rapports industriels). Les principaux fournisseurs détiennent les parts de marché suivantes :

• Siemens – 14 %
• ABB – 10 %
• Honeywell – 9 %
• Rockwell Automation – 8 %

Tendances actuelles en automatisation de process E/S

• Décentralisation – Les stations E/S distantes sur le terrain réduisent la complexité du câblage et améliorent la résilience du système.
• Déclin des bus de terrain traditionnels – Le câblage direct des capteurs sur les bornes E/S élimine les armoires de câblage croisé.
• E/S universelles (Late‑Binding) – Les modules configurables permettent une livraison rapide du système et un câblage terrain tardif.
• Capteurs intelligents – Des données à plus haute résolution soutiennent le contrôle avancé, le diagnostic à distance et la gestion d'actifs.
• Connectivité terrain basée sur Ethernet – PROFINET et Ethernet – APL™ mènent le passage à une communication déterministe à haut débit.

Les résultats d'un sondage LinkedIn (communauté automatisation) confirment que les stations E/S distantes sont la priorité absolue, tandis que les E/S universelles sont classées plus bas par les ingénieurs instrumentistes et membres ISA. L'utilisation des bus de terrain reste inattendument la deuxième favorite parmi les groupes.

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Pourquoi les bus de terrain d'usine déclinent

La décentralisation a longtemps conduit l'utilisation des bus de terrain, pourtant leur adoption a diminué. Dans le secteur pétrolier et gazier, par exemple, les ingénieurs justifient maintenant le choix du 4‑20 mA HART conventionnel plutôt que Foundation Fieldbus (FF) car :

• Les économies de coûts dues au câblage réduit sont minimes en zones dangereuses.
• Les installations de bus de terrain impliquent souvent une mise à la terre, un grounding et un support technique complexes.
• Les canaux de données parallèles (ex. NOA) et HART fournissent déjà le diagnostic à distance et la gestion d'actifs.

Les solutions sans fil gagnent du terrain pour les mesures à faible scan et non critiques, mais les besoins en énergie peuvent compenser les économies de câblage.

PROFIBUS : Le bus de terrain survivant

PROFIBUS reste populaire hors pétrole & gaz, alimentant les centres de contrôle moteur et variateurs de vitesse. Son évolution vers PROFINET offre des vitesses Ethernet déterministes, le rendant idéal pour les E/S distantes.

L'essor (et les limites) des E/S universelles

Alors que la décentralisation pousse les E/S distantes, les modules universels sont de plus en plus déployés dans les salles de contrôle principales par les fournisseurs DCS. Les avantages incluent :

• Délais de livraison réduits et câblage terrain plus précoce.
• Flexibilité pour reconfigurer les E/S tard dans le cycle de vie du projet.

Cependant, les systèmes universels font face à des contraintes :

• Support limité pour divers types d'E/S (sécurité intrinsèque, redondance, SIL, isolation galvanique).
• Coût par canal plus élevé comparé aux modules dédiés.
• Densité plus faible (55–140 E/S/m) versus E/S fixes (400–500 E/S/m).

Rentabilité : E/S fixes vs universelles

Les modules fixes à haute densité sont souvent plus économiques, surtout lorsqu'ils sont installés à distance pour réduire le câblage d'usine et l'encombrement. Combiner des E/S dédiées avec un backplane universel peut offrir le meilleur des deux mondes.

Exemple : Siemens ET200SP HA E/S supporte jusqu'à 896 signaux dans une seule armoire. Il peut être branché sur un backplane générique pour une reconfiguration de dernière minute, tandis qu'une carte configurable 16 canaux gère les 10 % finaux de changements.

Armoire connexion directe : 56 modules E/S (jusqu'à 896 E/S), 800 × 2000 mm (L × H)

Caractéristiques clés

• Accès unilatéral, profondeur 400 mm
• Température ambiante -20 °C – +40 °C
• Alimentation 120/230 V AC redondante
• Connexion directe jusqu'à 2,5 mm²
• PROFINET sur cuivre ou fibre
• Supporte jusqu'à 56 câbles terrain (diamètre 20 mm)

1 - Disjoncteur d'alimentation MCB et RCB
2 - Alim AC/DC SITOP PSU 8200 40A (Siemens, 6EP3334‑8SB00‑0AY0)
3 - Module redondance SITOP PSE202U (Siemens, 6EP1961‑3BA21)
4 - Distribution puissance & fusibles cartouches
5 - Matériel optionnel (ex. SCALANCE XC206‑2‑SFP, Siemens, 6GK5 206‑2Bs00‑2AC2)
6 - T 200SP HA avec module interface et adaptateur bus
7 - Bornes fil de rechange & terre
8 - Fixation câble & profil blindage
9 - Goulotte câble 

EPC et E/S Late‑Binding

Les entreprises d'Ingénierie, Approvisionnement & Construction (EPC) favorisent le late‑binding car cela s'aligne avec la séquence typique du projet : l'instrumentation est finalisée après la tuyauterie, le mécanique et le process design. Le découplage matériel/logiciel permet une configuration DCS précoce et un déploiement terrain rapide.

Connectivité terrain basée sur Ethernet

Les capteurs intelligents se connectent de plus en plus directement à l'Ethernet, réduisant le besoin de bus E/S séparés. PROFINET et les futures solutions Ethernet – APL™ fournissent des liaisons déterministes à haut débit adaptées aux E/S distantes et à l'accès individuel aux instruments.

Solutions Universal Plug‑and‑Produce

L'unité de terrain compacte (CFU) de Siemens illustre cette approche. En utilisant PROFINET (ou bientôt Ethernet – APL™), elle distribue à distance jusqu'à huit instruments PROFIBUS PA, reconnaissant automatiquement chaque port. Cela améliore la flexibilité, réduit le câblage et revitalise l'adoption de PROFIBUS PA.

Des instruments au MTP : Une vue unifiée

Les instruments intelligents évoluent vers des packages modulaires. Le MTP de NAMUR offre une description standardisée pour les projets greenfield, tandis que NOA fournit le canal de communication parallèle nécessaire pour les sites brownfield. Ensemble, ils ouvrent la voie à un paysage d'automatisation transparent basé sur OPC UA.

L'automatisation modulaire MTP et l'architecture ouverte NOA de NAMUR sont complémentaires

Conclusions

1. La décentralisation continue de dominer, mais le déclin des bus de terrain et l'essor des E/S universelles illustrent les nuances de l'industrie.
2. Foundation Fieldbus voit une adoption réduite en raison de la complexité technique et des problèmes d'héritage.
3. PROFIBUS reste prévalent hors pétrole & gaz, largement en raison de son intégration dans les systèmes électriques.
4. Les EPC préfèrent les E/S late‑binding pour accélérer la livraison et le câblage précoce.
5. Les E/S fixes à haute densité sont souvent plus rentables et efficaces en espace que les solutions universelles.
6. Toutes les approches – E/S fixes distantes, modules universels, NOA, et Ethernet – APL™ – coexisteront pour un avenir prévisible ; la stratégie dominante émergera avec le temps.

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