Qu'est-ce qui rend les environnements industriels si différents ?
Les principaux problèmes rencontrés avec l'Ethernet industriel proviennent des risques auxquels les réseaux sont exposés. Deux facteurs aggravent ces risques : l'absence de climatisation et la présence d'autres équipements électriques. Alors que le réseau d'un bureau ou d'un centre de données est protégé des intempéries par la climatisation et des systèmes d'ombrage, la plupart des environnements industriels ne bénéficient pas de cette protection. Une chaleur ou une humidité excessive, par exemple, peut affecter les supports de transmission. Le câble à paires torsadées, couramment utilisé dans les réseaux de bureau, peut se détériorer après une exposition prolongée au soleil. Les interférences électromagnétiques (IEM) générées par les équipements électriques provoquent des perturbations qui affectent le trafic réseau. Les connecteurs RJ-45, qui constituent l'épine dorsale des réseaux d'entreprise, ne sont pas conçus pour fonctionner pendant de longues périodes sous une chaleur ou des contraintes excessives, et leurs contacts peuvent se corroder, entraînant la rupture des étiquettes.

La distance de transmission du signal constitue une autre différence notable. Dans les grandes usines, le câble Ethernet industriel peut nécessiter jusqu'à 400 mètres et est souvent installé à proximité de zones dangereuses (connexions machine-machine et commutateur-commutateur). Le câble à paires torsadées, utilisé dans les bureaux, est limité à 100 mètres. Bien que cette spécification ait été initialement conçue pour séparer les transmissions des utilisateurs et éviter les collisions, les limitations de distance actuelles sont dues à la transmission électrique.
Les cartes d'interface réseau (NIC) ont également été développées pour des distances allant jusqu'à 100 mètres. Au-delà, une alimentation électrique supplémentaire est nécessaire et des interférences peuvent être générées, perturbant la transmission des données. La fibre multimode est suffisante jusqu'à 2 kilomètres. Pour les distances comprises entre 2 et 3 kilomètres, la fibre optique monomode est requise. Par ailleurs, la fibre optique présente des exigences spécifiques. Son diamètre est inférieur à celui d'un globule rouge. Les empreintes digitales, voire les particules de poussière en suspension dans l'air, peuvent se loger dans la terminaison de la fibre optique, provoquant des réflexions et perturbant la transmission du signal.
Enfin, un élément aussi fondamental que l'électricité peut affecter une installation Ethernet. Les composants Ethernet de bureau ne peuvent pas fonctionner dans un environnement industriel alimenté par 24 ou 48 V. Des composants de qualité industrielle seront probablement nécessaires.

Une différence fondamentale dans la nature du travail : le besoin de déterminisme.
En milieu industriel, la nature du travail effectué et les fonctions des équipements diffèrent considérablement de celles d'un réseau de bureau. Les pertes de trafic prennent une importance bien plus grande dans les environnements industriels. Dans de nombreux réseaux de bureau, la perte de données est moins problématique, car il existe plusieurs moyens de compenser les paquets perdus. À tout le moins, un utilisateur peut renvoyer un fichier de données corrompu lors de la transmission. Si le réseau de bureau est un peu lent, c'est certes agaçant et cela nuit à la productivité du personnel, mais le travail reste possible.
Dans le monde industriel, caractérisé par une production à grande vitesse et des processus précis, la transmission correcte et rapide des communications est primordiale. Un paquet de données peut contenir une alerte de surchauffe, voire d'incendie, ou une commande d'activation du système de refroidissement. Les paquets corrompus, perdus ou transmis hors délai, que ce soit en raison de la vitesse ou de la lenteur du réseau, entraînent de graves conséquences : erreurs de production, baisse de la productivité, augmentation des déchets et allongement des temps d'arrêt. Tout cela se traduit par des coûts plus élevés.
Pour ces raisons, l'Ethernet industriel doit être « déterministe », c'est-à-dire que le réseau doit garantir la survenue d'un événement dans un délai spécifié. Ce n'est pas la norme en entreprise, et cela n'était pas non plus le cas autrefois dans le monde industriel. C'est désormais une exigence.

Comprendre les normes et les ratios Ethernet :
la connaissance des normes et des ratios Ethernet qui ont évolué au fil des ans peut contribuer à la conception de réseaux plus robustes et résilients.

Classification des conditions environnementales avec les tableaux MICE
: pour décrire les conditions environnementales potentielles dans les zones industrielles, la Telecommunications Infrastructure Association (TIA) a créé les tableaux « Mécanique, Infiltration, Climatique/Chimique et Électromagnétique » (MICE). Le niveau 1 décrit un environnement de bureau typique ; le niveau 2 présente des conditions légèrement plus défavorables ; et le niveau 3 correspond à un environnement industriel lourd.

Environ 80 % des environnements correspondent aux tableaux MICE, à l'exception des environnements les plus extrêmes ou spécifiques. La section Mécanique de chaque tableau fournit des valeurs pour les chocs, les vibrations, la tension, l'écrasement, l'impact et la flexion. La section Pénétration spécifie la taille des particules (poussières). La section Climat/Chimie indique les valeurs de température, d'humidité, de rayonnement et de pollution liquide et gazeuse due aux contaminants industriels les plus courants. Enfin, la section Électromagnétique fournit des valeurs spécifiques pour les décharges électrostatiques, les radiofréquences (RF) rayonnées et conduites, la tension de court-circuit et le champ magnétique.
Les tableaux MICE ne constituent pas un ensemble d'exigences de câblage, mais ils offrent un contexte utile pour évaluer des environnements spécifiques et sélectionner des systèmes compatibles. Il convient également de noter qu'un même câblage peut convenir à plusieurs environnements MICE. En établissant des limites, il est possible de minimiser le besoin de câblage à très grande section dans l'ensemble de l'installation.
Détermination du niveau de protection des connecteurs, appareils et autres équipements :
L’indice IP (Indice de Protection) indique le degré de protection offert par l’équipement et est toujours spécifié par les lettres IP suivies de deux chiffres. Le premier chiffre indique le niveau de protection contre les corps solides, tandis que le second représente le niveau de résistance à l’eau. Un indice IP55, par exemple, démontre que l’appareil offre une protection suffisante contre la poussière et les particules d’eau sans que son fonctionnement en soit affecté. Un indice plus élevé, tel que IP68, indique que l’appareil est étanche à la poussière et peut être immergé dans l’eau sans dommage.
Le connecteur RJ-45, généralement utilisé dans les cordons de brassage, ne possède pas d’indice IP, car il n’a pas été conçu pour offrir une protection contre la poussière ni pour être totalement étanche. Les câbles Ethernet destinés aux environnements difficiles nécessiteront des connecteurs RJ-45 spécialement conçus avec un joint d’étanchéité protecteur ou devront utiliser d’autres types de connecteurs, tels que les connecteurs M-12. Avec un indice IP68, les connecteurs M-12 offrent les mêmes niveaux de protection physique contre les corps solides et les liquides. Les applications de l'industrie pharmaceutique illustrent parfaitement la nécessité d'utiliser non seulement des connecteurs à indice de protection IP élevé, mais aussi des boîtiers d'équipements présentant le même indice.

Leçons tirées d'autres exemples :
le réseau.
La principale erreur lors de l'installation de réseaux industriels consiste à croire qu'un réseau de bureau peut être utilisé dans un site de production. Le trafic variable et les schémas d'adressage du réseau d'entreprise ne doivent pas perturber la nature stable, structurée et moins variable d'un réseau de production. Le trafic d'entreprise peut ralentir le trafic de production et compromettre le bon fonctionnement du réseau industriel.
Un VLAN (réseau local virtuel) permet de segmenter le trafic réseau. Les réseaux d'entreprise et de production peuvent communiquer, mais ne peuvent pas partager leurs chemins de communication. C'est un peu comme comparer deux autoroutes reliées par un tunnel.
La seconde erreur est de vouloir faire des économies en achetant des commutateurs Ethernet standard. Les environnements industriels exigent des commutateurs industriels, conçus pour résister aux contraintes du milieu industriel et contribuer à un réseau plus performant. En production, il est essentiel de transférer les informations de manière fiable du point A au point B. Dans un bureau, des performances réseau médiocres se traduisent souvent par une baisse de performance des ordinateurs des utilisateurs. Sur une chaîne de production, une communication de quatre ou six secondes peut faire la différence entre un travail en ligne rapide et un travail interrompu. Dans une usine de tôlerie, elle peut déterminer si le matériau est coupé à la bonne longueur.
Un flux d'informations optimal maintient une vitesse adéquate et une température constante sur une distance d'environ 43 mètres.

Signaux électriques :
les périphériques réseau, tels que les commutateurs, peuvent être affectés par les mêmes problèmes que le câblage. Les environnements électriques difficiles peuvent provoquer des transitoires, des coupures et des décharges électrostatiques. Les variations extrêmes d'humidité et de température, les vibrations et une alimentation électrique instable ou inefficace peuvent perturber la signalisation. Les périphériques dotés d'un indice de protection IP approprié peuvent atténuer bon nombre de ces problèmes.

Câblage d'infrastructure : protéger les câbles contre les risques et les dangers.
Dans un centre de données classique, on trouve souvent un serveur avec des câbles à paires torsadées non blindés qui pendent à l'arrière et descendent jusqu'au plafond ; c'est parfaitement acceptable. En milieu industriel, les câbles doivent être protégés par une gaine plastique ou métallique. Il est également acceptable que les câbles Ethernet soient installés au plafond dans des chemins de câbles ouverts. Cependant, dès que ces câbles atteignent un mur ou tout autre endroit susceptible d'entrer en contact avec de l'eau, de chauffer ou de subir des chocs, ils nécessitent une gaine.
La protection contre les interférences électromagnétiques (IEM) doit également être prise en compte. Par exemple, une machine peut remplir des bouteilles tandis qu'une autre les emballe. La ligne Ethernet doit être isolée et blindée contre les champs IEM générés par les machines, les câbles, les moteurs et les transformateurs. Un bruit électronique excessif perturbe également les signaux. Cela se manifeste souvent par des erreurs réseau facilement identifiables, indiquant que la trame transmise a été corrompue.
Que faire ? Le câblage à paires torsadées non blindées (UTP) est naturellement insensible aux faibles niveaux d'IEM. Pour les niveaux plus élevés, les câbles à paires torsadées blindées (STP – également appelés CAT 5) sont préférables. Enfin, pour une protection maximale,
la fibre optique, insensible aux IEM, est la meilleure solution.
L'utilisation de câbles haute performance n'est pas la seule solution pour les environnements difficiles. Elle doit être complétée par une combinaison de séparation, d'isolation et d'une planification stratégique. Par exemple, en cas de risque de déversement de liquides, la séparation est assurée par des chemins de câbles, tandis que l'isolation est fournie par des gaines métalliques qui atténuent les interférences électromagnétiques.
En environnement difficile, des mesures préventives telles que le remplacement régulier des cordons de brassage et des connecteurs doivent être prises pour éviter les interruptions de service. La mise en place et la documentation de l'infrastructure réseau, ainsi que la réalisation de la maintenance préventive, ne garantissent pas un fonctionnement fiable du réseau. Un dépannage rapide avec les outils appropriés est également essentiel.

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Département technique de Fluke Networks