Utiliser un seul câble de bus de terrain pour plusieurs protocoles Ethernet simultanés

L'accélération de la transition vers l'Industrie 4.0 et l'Internet industriel des objets (IIoT) nécessite des capacités de connectivité et de collecte de données à des fins d'analyse pour améliorer la productivité et la sécurité. Cependant, la collecte et la transmission de données horizontales et verticales dans une usine peuvent s'avérer complexes et coûteuses, en particulier lorsque plusieurs réseaux et environnements difficiles sont impliqués. Les concepteurs ont besoin d'un moyen de concevoir, déployer et gérer efficacement des réseaux industriels capables d'échanger des données avec plusieurs automates programmables (PLC), capteurs et actionneurs de différents fournisseurs, tout en utilisant simultanément différents protocoles et un câblage minimal.

Pour ce faire, il est possible d'utiliser une plateforme entrée/sortie (E/S) décentralisée intégrée et optimisée qui peut gérer plusieurs protocoles via un seul câble Ethernet. Un tel système permet également aux opérateurs de réseaux industriels de simplifier les exigences de maintenance et de réduire les stocks de pièces de rechange en standardisant sur une seule plateforme E/S, quel que soit le PLC utilisé.

Cet article fournit un bref aperçu des réseaux Industrie 4.0. Il présente ensuite une plateforme E/S de Siemens qui accepte plusieurs bus de terrain Ethernet sur un seul câble en environnements difficiles, et montre comment elle peut être utilisée pour répondre aux besoins des concepteurs de l'Industrie 4.0.

Protocoles Ethernet

Les déploiements de l'Industrie 4.0 ont de nombreuses exigences en matière de communication. Chacun des trois principaux protocoles de bus de terrain, PROFINET, EtherNet/IP et Modbus TCP, prend en charge différents cas d'utilisation, depuis les technologies opérationnelles (OT) en usine jusqu'aux technologies de l'information (IT).

PROFINET : il s'agit d'un protocole déterministe hautes performances utilisé pour l'échange de données entre des contrôleurs tels que des PLC et des périphériques. Il convient aux fonctions en temps réel et critiques pour la sécurité, notamment les applications de contrôle de mouvement haute vitesse. Il est également utilisé pour intégrer des fonctions OT/IT.

EtherNet/IP : il utilise le protocole Ethernet standard, ce qui facilite sa mise en œuvre avec des périphériques Ethernet. Le protocole CIP (Common Industrial Protocol) est optimisé pour les applications d'automatisation industrielle et prend en charge les technologies de réseau, y compris EtherNet/IP. EtherNet/IP peut également être utilisé pour l'échange de données, du terrain vers les systèmes informatiques.

Modbus TCP : il s'agit d'un protocole basé sur TCP/IP qui est utile pour les fonctions non critiques en termes de temps, telles que la consommation d'énergie et la collecte de données environnementales, ainsi que pour l'échange de données entre le terrain et les systèmes informatiques.

Étant donné que chacun des trois bus de terrain remplit un objectif spécifique, les trois sont nécessaires. Il en résulte des défis de communication complexes, et c'est là qu'interviennent les systèmes MultiFieldbus. Le contrôleur de communication MultiFieldbus se situe entre le niveau terrain et le niveau contrôle, et communique simultanément avec plusieurs contrôleurs utilisant des protocoles différents via un seul câble réseau (Figure 1). Les dispositifs MultiFieldbus peuvent être utilisés dans une grande variété d'environnements : à l'intérieur d'une armoire de commande protégée, dans l'usine ou dans installations extérieures à distance.

Figure 1 : Un contrôleur de communication MultiFieldbus se situe entre le niveau terrain et le niveau contrôle, facilitant la connectivité et la communication étendues pour l'Industrie 4.0. (Source de l'image : Siemens)

Environnements divers

La diversité environnementale exige des dispositifs avec une variété d'indices de protection (IP), d'IP20 à IP67. Le système IP est intégré dans la norme 60529 de la Commission électrotechnique internationale (CEI) et répertorie les dispositifs en fonction de la capacité de leur boîtier à fournir une protection contre la pénétration de poussières et de liquides, et de la facilité avec laquelle les parties dangereuses du système fermé peuvent être accessibles avec les doigts, des outils ou des objets solides de différentes tailles. Les codes IP sont composés de deux chiffres. Le premier indique le niveau de protection contre les solides et est évalué sur une échelle de 0 (aucune protection) à 6 (aucune pénétration de poussière). Le deuxième chiffre indique le niveau de protection contre les liquides et est évalué de 0 (aucune protection) à 9 (protection contre l'eau chaude à haute pression sous différents angles).

Par exemple, les dispositifs répertoriés IP20 sont utiles dans les armoires de commande ou dans des environnements similaires. Le chiffre 2 indique une protection contre les particules > 12,5 millimètres (mm), comme les doigts ou objets similaires, et le 0 indique l'absence de protection contre la pénétration d'eau.

Pour les environnements plus difficiles, les indices IP typiques incluent IP65, IP67 et IP69K, où le chiffre 6 indique un boîtier scellé et totalement étanche à la poussière. Ces indices IP offrent une protection variable contre l'eau.

• IP65 indique que l'eau projetée par une buse (6,3 mm) contre un boîtier, quelle que soit la direction, ne doit pas avoir d'effets nocifs.
• IP67 signifie que l'eau ne doit pas pouvoir s'infiltrer en quantité nocive lorsque le boîtier est immergé dans l'eau jusqu'à 1 mètre (m).
• IP69K concerne les équipements utilisés dans les véhicules routiers et s'applique aux lavages à haute pression et à haute température.

Plateforme MultiFieldbus

Les modules d'interface et la plateforme MultiFieldbus E/S SIMATIC ET 200 de Siemens peuvent échanger simultanément des données avec plusieurs contrôleurs à l'aide des protocoles PROFINET, EtherNet/IP et Modbus TCP via le même câble. Les protocoles de communication sont tous configurables par logiciel sans changement de matériel. La plateforme E/S SIMATIC ET 200 complète avec MultiFieldbus inclut également des modules répertoriés IP20 pour une utilisation dans des armoires de commande, des modules répertoriés IP65 et IP67 pour une utilisation en intérieur sur des machines et des modules répertoriés IP69K pour une utilisation en extérieur (Figure 2).

Figure 2 : La plateforme E/S SIMATIC ET 200 MultiFieldbus inclut plusieurs familles de dispositifs et peut prendre en charge les installations Industrie 4.0 dans les armoires de commande, à l'intérieur sur des machines et à l'extérieur. (Image : Siemens)

Le système peut prendre en charge la communication simultanée avec jusqu'à six PLC utilisant différents protocoles de bus de terrain. Il existe en outre des modules pour IO-Link, Profibus, PtP (point-à-point), CAN (Controller Area Network), Asi (Actuator Sensor Interface), DALI (Digital Addressable Lighting Interface) et multiplexeur numérique DMX512. Les E/S standard et à sécurité intégrée peuvent être combinées sur une seule station.

L'architecture multifonctionnelle et modulaire du système prend en charge la personnalisation de masse, une caractéristique des usines Industrie 4.0. Le câblage rapide est pris en charge avec des bornes enfichables, et des modules sont disponibles pour une série de fonctions telles que le comptage, la surveillance de l'énergie, les démarreurs de moteur, les entrées de position, les servocommandes, la détection de température, les E/S basées sur le temps et même la charge des véhicules électriques. De nombreux modules prennent en charge PROFIenergy, un profil du protocole de communication PROFINET qui permet la gestion de l'alimentation dans les dispositifs d'automatisation industrielle.

Le SIMATIC ET 200SP est un système E/S décentralisé multifonctionnel et évolutif doté d'une grande variété de modules. Par exemple, le modèle 6ES71556MU000CN0 est un module d'interface à deux ports destiné à être utilisé dans les armoires de commande (Figure 3), et le modèle 6ES71936BP000BA0 est une unité de base SIMATIC ET 200SP particulièrement compacte, conçue pour être installée dans de petits boîtiers de commande près des machines. Les deux modèles sont répertoriés IP20 et offrent une plage de températures de fonctionnement de -30°C à +60°C.

Figure 3 : Le 6ES71556MU000CN0 est un module d'interface à deux ports destiné à être utilisé dans les armoires de commande. (Source de l'image : Siemens)

Modules tolérant les vibrations pour chaînes de montage

Le SIMATIC ET 200AL a été optimisé pour les applications impliquant des mouvements, telles que les chaînes de montage automatisées et semi-automatisées (Figure 4). Les modules peuvent supporter des vibrations jusqu'à 5 g en continu avec un maximum de 10 g. Ils sont répertoriés IP65/67 avec une plage de températures de fonctionnement de -25°C à +55°C, et leur conception compacte et légère convient aux applications de contrôle décentralisé sur les machines. Ils sont disponibles avec des largeurs de module de 30 mm ou 45 mm et prennent en charge jusqu'à 32 modules par station. Les modules permettent l'intégration de capteurs et d'actionneurs à l'aide de connecteurs M8 ou M12 selon le module. Ils sont également dotés de la fonctionnalité PROFIenergy.

Figure 4 : Les modules ET 200AL (coin inférieur droit) sont optimisés pour les applications impliquant des mouvements et peuvent gérer des vibrations jusqu'à 5 g en continu. (Source de l'image : Siemens)

Exemples de modules ET 200AL :

• Le 6ES71415BF000BA0 est doté de huit entrées numériques et de prises M8 pour connecter des commutateurs et des capteurs de proximité. Il mesure 30 mm x 159 mm.
• Le 6ES71445KD500BA0 est doté de huit entrées analogiques et de prises M12 pour les connexions. Les types de mesure peuvent être programmés pour chaque canal, y compris la tension, le courant (transducteurs à 2 et 4 fils), la résistance (transducteurs à 2 et 3 fils) et les capteurs de température à résistance (connexions à 2 et 3 fils). Il a une résolution de 16 bits et mesure 30 mm x 159 mm.

Modules répertoriés IP65/67 pour le montage sur machine

Les modules SIMATIC ET 200pro sont répertoriés IP65/67 et conçus pour être installés à l'extérieur d'une armoire de commande, directement sur une machine. Grâce à une connexion sans fil, ces modules sont parfaitement adaptés à une utilisation dans des applications telles que les systèmes de véhicules à guidage automatique, la gestion de bâtiments, la logistique d'entrepôt et les systèmes de monorail électrique. La série permet le remplacement à chaud et inclut des modules de processeur (CPU), des modules d'interface, des modules E/S et des modules fonctionnels.

La série ET 200pro inclut une gamme de fonctions comme IO-Link et RFID. Les modules de démarreur moteur peuvent être utilisés pour démarrer et protéger des moteurs et des charges jusqu'à 5,5 kilowatts (kW). Des versions à sécurité intégrée sont disponibles et peuvent prendre en charge le niveau d'intégrité de sécurité (SIL) 3. Le module de convertisseur de fréquence peut être utilisé pour le contrôle en boucle ouverte ou fermée de moteurs à induction. Le module de mesure de la température 6ES71444JF000AB0 est très flexible et peut être programmé pour utiliser une gamme de capteurs de température à résistance (RTD), y compris Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 et NI1000, et il peut fournir la température en degrés Celsius ou en Fahrenheit.

Modules à montage sur machine pour zones extérieures et dangereuses

Les modules SIMATIC ET 200eco PN fournissent un bloc E/S compact avec des indices IP65 et IP67, et ils conviennent à un montage sans armoire directement sur une machine. Comme tous les modules ET 200, ils prennent en charge PROFINET, Ethernet/IP et Modbus TCP. Ces modules sont fournis en boîtier en zinc moulé entièrement étanche et ils offrent une résistance aux vibrations, à la poussière, aux huiles et à l'humidité, ce qui les rend adaptés aux installations en extérieur. Ils présentent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +60°C. La série ET 200eco PN est approuvée par la directive ATEX (atmosphère explosible) de l'Union européenne (UE) et peut être utilisée dans les zones dangereuses jusqu'à la zone 2.

Pour les dispositifs conformes à la spécification IO-Link V1.1, les paramètres du dispositif et du maître peuvent être automatiquement transférés à l'aide de la fonction de démarrage automatique sans aucune configuration préalable si un dispositif doit être remplacé. Par exemple, le module 6ES71486JG000BB0 peut fonctionner comme un dispositif maître IO-Link V1.1 et inclut une combinaison de 4 ports IO-Link de classe A et 4 ports IO-Link de classe B (Figure 5). Les ports peuvent fonctionner comme entrées ou sorties numériques en fonction du paramétrage. Le module est répertorié IP67 et IP69K, et prend en charge trois vitesses de transmission : 4,8 kilobauds (kBd) sur COM1, 38,4 kBd sur COM2 et 230,4 kBd sur COM3.

Figure 5 : Module SIMATIC ET 200eco PN (à gauche) et gros plan d'une installation typique (à droite). (Source de l'image : Siemens)

Conclusion

Le déploiement de réseaux pour l'Industrie 4.0 est une entreprise complexe qui doit tenir compte de plusieurs interfaces de communication et de différents environnements d'exploitation. Pour rationaliser les réseaux d'usine, les concepteurs peuvent utiliser la plateforme SIMATIC ET 200 MultiFieldbus de Siemens pour échanger simultanément des données avec jusqu'à six PLC utilisant les protocoles PROFINET, EtherNet/IP et Modbus TCP sur le même câble.

Lectures recommandées

1. Personnalisation de masse, haute qualité et opérations durables dans les usines de l'Industrie 4.0
2. Comment connecter les systèmes d'automatisation d'usine existants et l'Industrie 4.0 sans interruption