Ethernet pour E/S industrielles : Avantages, inconvénients et considérations clés de conception

Les dispositifs d'entrée/sortie (E/S) industriels constituent le système nerveux central de nombreuses machines modernes et, par extension, des usines industrielles. Au cours des dix dernières années, l'utilisation d'Ethernet comme couche physique a été l'une des avancées les plus importantes en conception d'automatisation industrielle pour les dispositifs E/S de bus de terrain.

L'EtherNet/IP moderne (Ethernet Industrial Protocol) combine l'Ethernet traditionnel avec une couche de protocole d'application industrielle ciblée pour l'automatisation industrielle. Il a été créé pour surmonter les lacunes de l'IEEE traditionnel, qui posait deux problèmes majeurs :

1. L'IEEE traditionnel n'était pas adapté pour gérer tous les processus complexes et gourmands en données de l'automatisation moderne. Il utilise une gamme de normes variées qui peuvent rendre la maintenance et l'utilisation des E/S difficiles.
2. Autrefois, les organisations de bus de terrain créaient leurs propres normes pour connecteurs, protocoles et piles. Aujourd'hui, la couche physique peut être gérée par des organisations de normalisation internationales à base large qui définissent les normes Ethernet pour les environnements industriels, tertiaires et grand public.

Connecter les dispositifs E/S via Ethernet pour les contrôler à distance, collecter et analyser les données et surveiller les statuts a permis à de nombreuses usines d'améliorer la fiabilité, la cohérence et l'efficacité. L'Ethernet E/S peut jouer un rôle significatif pour les usines cherchant à moderniser leurs lignes et processus d'automatisation.

Mais comme toute technologie, il y a des avantages et inconvénients à intégrer Ethernet dans l'environnement de conception d'automatisation industrielle. Pour vous aider à prendre une décision éclairée dans l'amélioration de votre production, nous avons répertorié les points principaux pour l'Ethernet E/S ci-dessous :

AVANTAGES de l'Ethernet pour E/S

Les E/S en réseau via Ethernet offrent de meilleures performances, une topologie flexible, une configuration plus simple et une gamme d'autres avantages.

1. Traitement plus rapide — L'Ethernet E/S permet des mises à jour en temps réel en moins d'une milliseconde. Les vitesses de traitement plus élevées créent des gains d'efficacité dans la collecte et l'analyse de données, une brique cruciale pour l'automatisation industrielle gourmande en données.
2. Protocoles de communication ouverts standardisés pour la conception d'automatisation industrielle — Ethernet s'utilise avec des protocoles standards open-source tels qu'EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink, etc. Tous s'interfacent aisément avec de nombreux dispositifs : variateurs, encodeurs, contrôles industriels sur le réseau E/S. À mesure que les bus de terrain deviennent plus ouverts et dépendent de technologies physiques connues comme Ethernet, les taux de mise à jour des réseaux E/S ont augmenté au point de suivre les événements en temps réel du système de contrôle.
3. Moins de cuivre — Coûts réduits — Le réseau IEEE précédent nécessitait d'importantes quantités de câblage cuivre pour les dispositifs industriels. Aujourd'hui, connecter les dispositifs E/S au contrôleur ne requiert que la connexion au réseau E/S, l'alimentation de contrôle et, pour les dispositifs à haute énergie, l'alimentation triphasée. Cela élimine les boucles de masse et les enchevêtrements de fils cuivre. Un seul câble standard relie le contrôleur au système d'exploitation industriel, qui peut être distant du contrôleur et distribué.
4. Protection contre l'obsolescence de plateforme — Ethernet étant disponible pour pratiquement toutes les plateformes matérielles existantes, il n'est lié à aucun fabricant ni même à aucune classe d'équipement. Il continuera de fonctionner pour un avenir prévisible, offrant un investissement à l'épreuve du temps en connectivité, ce qui renforce aussi la sécurité à long terme.
5. Fiabilité — L'Ethernet E/S fonctionne de manière fiable dans des environnements difficiles : centrales solaires, raffineries pétrole & gaz, chemins de fer, parcs éoliens, installations marines. L'automatisation industrielle utilisant l'Ethernet E/S répondra probablement aux exigences exigeantes de votre environnement de production.
6. Standards certifiés communs et large support fournisseurs — L'Ethernet industriel utilise les protocoles de transport et de contrôle de l'Ethernet traditionnel et les technologies d'accès au média et de signalisation des cartes d'interface Ethernet du commerce. C'est un standard robuste, certifiable, offrant une grande flexibilité d'utilisation d'équipements tout en assurant que les dispositifs sont certifiés, testés et approuvés par les laboratoires de test EtherNet/IP. Le cœur d'EtherNet/IP est le protocole CIP (Control and Information Protocol) utilisé dans ControlNet, DeviceNet et CompoNet. Ce standard organise les dispositifs en réseau comme une collection d'objets, définissant accès, comportement et extensions. Cela donne accès à une vaste gamme de dispositifs via un mécanisme commun, et comme c'est un standard très utilisé — tous les secteurs utilisent l'Ethernet —, il y a un support fournisseur étendu pour presque tout type de dispositif E/S.
7. Configuration simple et rapide — Ethernet offre plus d'options aux producteurs : sécurité, bus de terrain, moins de programmation, serveurs web. Il permet aux usines de passer d'un protocole à l'autre ou d'implémenter un bus de terrain pour la première fois de manière simple, en plug-and-play. De nombreux produits sont auto-configurants, reconnaissant automatiquement le protocole maître.
8. Autres avantages — Avantages mineurs supplémentaires : interconnexion unique (ou double pour haute disponibilité) pour réseau et stockage E/S ; réduction de consommation, refroidissement plus efficace et utilisation de l'espace au sol, usine plus durable ; amélioration des performances serveurs, maximisation des slots PCI et mezzanine ; meilleure mise à l'échelle de la capacité E/S pour applications haute performance et en grappe.

Inconvénients de l'ajout d'Ethernet pour E/S

Après avoir largement couvert les avantages, discutons des principaux inconvénients :

• Limitations de bande passante — L'Ethernet E/S a une bande passante limitée. De nombreux automates ne peuvent déplacer que des paquets d'environ 500 octets, ce qui peut être un obstacle significatif, ralentissant potentiellement les opérations.
• Traitement consommé par les couches TCP/IP — EtherNet/IP est un protocole de couche application transporté dans un paquet TCP/IP. Une bande passante processeur significative est consacrée au traitement des couches TCP/IP, ralentissant à nouveau les performances.
• Absence de modélisation de l'information — Avec Ethernet, il n'y a pas de vraie modélisation de l'information. On peut créer des objets avec attributs mais pas les lier en hiérarchie. Cela peut créer des défis dans les implémentations réelles d'automatisation industrielle.
• Variation d'équipement — Fonctionnalité limitée de l'Ethernet avec certains contrôleurs, il faut donc rester vigilant dans le choix du meilleur équipement.
• Surdimensionné — Dans de nombreux cas, l'Ethernet est mieux utilisé pour les applications de contrôle discret. Il peut fonctionner en contrôle de process, mais c'est une solution surdimensionnée qui consomme inutilement trop de budget. Des solutions plus pratiques et moins coûteuses existent parfois.
• Diagnostics — Les diagnostics génériques ne sont pas intégrés à tous les dispositifs Ethernet. Chaque dispositif peut nécessiter ses propres diagnostics personnalisés, ce qui prend du temps.

Comparaison de l'Ethernet avec d'autres technologies

Attribut	Stratégie E/S
	Résident hôte	RS-232	RS-485/422	Ethernet
Tolérance boucle de masse	Faible	Moyenne	Moyenne	Excellente
Couches de protocole ISO standardisées	Aucune	Couche 1	Couche 1	Couches 1-3
Débit de communication	Excellent	115 Kbps	10 Mbps	10-1000 Mbps
Durée de vie de la plateforme	Faible	Bonne	Bonne	Bonne
Extensibilité	Faible	Faible	Moyenne	Excellente
Connecteur standardisé	Aucun	DB9 ou DB25	Aucun	RJ-45
Encombrement câbles hôte	Faible	Moyen	Bon	Bon
Distance hôte-système E/S	Faible	Moyen	Excellent	Excellent

Points cruciaux à connaître

Lors de la transition vers l'Ethernet E/S, il est critique d'évaluer une large gamme de caractéristiques pour choisir le bon type d'Ethernet. Considérez les architectures E/S Ethernet suivantes :

• Systèmes Ethernet par module
• Systèmes porteurs de modules
• Systèmes en étoile (Star Cluster)

Fonctionnalités essentielles

Outre son architecture, chaque E/S Ethernet a d'importantes fonctionnalités à évaluer. Chaque E/S industriel doit fournir un certain niveau de support pour les fonctions communes suivantes :

• Surveillance de l'alimentation
• Distribution de l'alimentation
• Support d'interverrouillage
• Protection environnementale

Nous pouvons vous aider

Le choix du protocole Ethernet dépend de nombreux facteurs. Mais la plupart du temps, les automates utilisés dans vos installations et la demande client guideront votre décision. Si vous utilisez Siemens, Profibus DP ou Profinet IO peuvent être vos meilleures options. Si vous êtes avec Rockwell ControlLogix ou CompactLogix, EtherNet/IP ou DeviceNet sont vos meilleurs choix. Vos exigences d'application et votre infrastructure actuelle guideront la prise de décision.

Chez EPIC, nous avons une expertise approfondie sur une large gamme de systèmes et technologies, et nous avons aidé des usines dans le monde entier. Si vous avez besoin d'une assistance experte pour sélectionner les meilleures technologies pour la conception d'automatisation industrielle de votre usine, nous pouvons vous aider.

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Une autre excellente ressource

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