Des connecteurs, des câbles et des réseaux…

Le paysage de la connectique industrielle a considérablement évolué ces dernières années pour accompagner la pénétration de plus en plus importante d’Ethernet sur le terrain de la production. En effet, les connecteurs sont les relais incontournables entre les câbles transportant des données et les appareils qui les délivrent ou les enregistrent.


Les capacités et les avantages d’Ethernet permettent à ce standard de communication en réseau, de convaincre de plus en plus d’entreprises à l’utiliser au sein de leurs installations industrielles. Les liaisons Ethernet sont déployées en complément ou en remplacement des autres réseaux à finalité industrielle que sont : CANopen, DeviceNet, Profibus ou encore AS-I. La principale raison tient à ce que les réseaux Ethernet gèrent de plus grandes quantités de données à des vitesses plus rapides que les autres standards de communication de l’industrie.

Le standard Ethernet a été d’abord utilisé dans l’informatique bureautique et de gestion pour la connexion des postes de travail aux serveurs de données et d’impression. Au fil du temps, il a été adapté aux environnements industriels, les entreprises souhaitant profiter de ses capacités en matière de transferts rapides de données jusque sur les sites de production eux-mêmes.

Le passage à l’Ethernet industriel apparaît comme une évolution presque naturelle puisque les directions informatiques des entreprises maîtrisent déjà cette technologie. Dans la pratique, son adaptation aux sites de production s’avère sensiblement différente de son usage dans des bureaux qui subissent de bien moindres contraintes environnementales. Le second facteur qui favorise l’adoption de l’Ethernet industriel est sa capacité à véhiculer de plus grands volumes de données à des vitesses plus élevées que les bus de terrain ; un élément critique à l’heure où les entreprises s’intéressent aux possibilités offertes par l’Internet industriel des objets (IIoT).

Dans tous les secteurs liés à la fabrication, à la transformation et aux process, les entreprises sont confrontées à l’obligation d’ajouter des capteurs communicants et de les relier à une foule d’autres équipements. Il s’agit de l’une des évolutions majeures tirée par l’Industrie du Futur afin que les gestionnaires opérationnels disposent d’une représentation précise de l’état de fonctionnement présent voire futur de l’installation. Ethernet est un moyen idéal pour relier des dispositifs hétérogènes. Et ce, d’autant plus qu’il permet de faire le lien entre les systèmes dédiés à la production, pilotés par les automaticiens et l’informatique de gestion mise à la disposition des ingénieurs, des superviseurs et des managers travaillant dans les bureaux.

S’adapter aux exigences industrielles

Le dispositif Ethernet la plus connu est le connecteur RJ45, tout spécialement apprécié pour sa facilité d’utilisation et ses possibilités de connexion et de déconnexion rapides. La norme IEC 60603-7 qui définit sa conception et sa construction, prévoit huit contacts couvrant la totalité des standards de communication Ethernet actuels puisque les connecteurs peuvent gérer de deux à quatre paires de fils avec une protection IP20.

Cela étant, les terminaisons en plastique des connecteurs RJ45 mâles et femelles sont trop fragiles pour résister aux conditions rencontrées au plus près des machines de production et de conditionnement. Les vibrations et les chocs peuvent rapidement endommager ses terminaisons sans parler de l’accumulation des poussières, des projections d’eau ou de lubrifiants corrosifs et des changements de température.

En réponse à ces exigences, les ingénieurs se sont tournés vers les connecteurs M12 déjà largement utilisés pour les capteurs, et les ont adaptés pour les besoins d’Ethernet. Les connecteurs M12 disposent par exemple, d’un surmoulage résistant aux vibrations et aux chocs accidentels qui de surcroît, encapsule ses composants internes en apportant un indice de protection IP67 contre la poussière et les infiltrations.

Les connecteurs M12 existent dans des versions présentant quatre broches (D-Code) ou huit broches (A-Code et X-Code). Ils couvrent ainsi les exigences des différents standards Ethernet actuels pour des transferts de données allant jusqu’à 10 Gbits/s en fonction du type de câbles utilisé et du nombre de paires torsadées présentes.

Les connecteurs suivent le rythme

Bien sûr, l’une des principales caractéristiques qui joue sur la conception du connecteur, concerne la vitesse de transfert maximale supportée, qui dépend aussi des progrès réalisés parallèlement dans la qualité des câbles. Pour des vitesses allant jusqu’à 100 Mbits/s (100Base-T), un câble Ethernet ne nécessite que deux paires de fils conducteurs. Pour des vitesses allant jusqu’à 1 Gbit/s (1000Base-T), quatre paires sont nécessaires ; une configuration qui convient aussi aux liaisons atteignant 10 Gbits/s (10GBase-T). Selon le standard que l’on souhaite utiliser, le connecteur M12 devra donc comporter quatre ou huit broches. Les connecteurs conçus pour l’Ethernet industriels ont évidemment continué à évoluer pour supporter des vitesses de transmission toujours plus élevées.

Les connecteurs M12 à quatre broches ont donc cédé le pas devant les douilles comportant huit broches, sachant que le haut de gamme actuel est le connecteur M12 X-Code, qui supporte des débits de 10 Gbits/s. A cette fin, ce connecteur de type X-Code dispose d’un blindage renforcé et s’appuie sur des câbles en cuivre de qualité Cat 6A ou Cat 7. A l’intérieur du connecteur, chacune des quatre paires de fils torsadées est isolée des autres. Il s’agit d’éviter que les transitions des signaux qui s’opèrent à des fréquences élevées, ne soient perturbées par des phénomènes de couplage ou d’induction d’une paire à l’autre.

Cette technologie connaît un regain d’intérêt de la part des entreprises industrielles à la recherche de vitesses élevées parallèlement à un accroissement de la qualité et de la fiabilité des transmissions. Ces nécessités s’imposent sous la poussée des applications qui véhiculent de grands volumes de données comme les systèmes de vision 2D et 3D à haute fréquence, les caméras HD et Ultra-HD, les scanners volumiques 3D à large spectre, etc. De tels systèmes ont non seulement besoin de débits élevés mais aussi, de la garantie des délais d’acheminement ; une incohérence dans les flux ou la corruption de données pouvant provoquer un blocage de l’application. Au-delà des utilisateurs finaux, les fabricants profitent aussi des possibilités offertes par les connecteurs industriels. Par exemple, les concepteurs de caméras ou de systèmes de vision ont commencé à installer des connecteurs de classe M12 X-Code sur leurs équipements, afin d’augmenter leur performance et leur efficacité.

Prime à la compacité

Les tendances qui poussent à la conception de dispositifs d’automatisation de plus en plus compacts, touchent évidemment les dispositifs de connexion qui les équipent.

Un des meilleurs exemples est celui des modules d’E/S et des connecteurs dont ils sont équipés. La miniaturisation poussée des composants électroniques a permis aux fabricants de systèmes d’automatisation, de réduire la taille des modules d’E/S, tout en favorisant la multiplication des ports de communication à haut débit. La taille de tels blocs d’E/S impose de recourir à des connecteurs de petit format, ce qui a favorisé le passage des connecteurs M12 aux connecteurs M8.

Avant d’être adaptés aux liaisons Ethernet, les connecteurs M8 ont surtout été utilisés pour relier les capteurs industriels. Le format des connecteurs M8 convient aux besoins industriels parce que l’espacement de ses broches est conforme aux exigences de performance qui dépend de l’emplacement des paires torsadées dans le barillet. Si elles sont trop éloignées ou trop inégalement espacées, les risques d’erreurs de transmission augmentent. Au regard des normes en vigueur, les connecteurs M8 sont conformes aux spécifications de performances de l’Ethernet industriel pour les débits jusqu’à 100 Mbits/s.

Le standard Ethernet poursuivant son expansion rapide dans les milieux industriels, les fabricants devront à l’évidence adapter les connecteurs existants aux nouveaux usages. L’une des évolutions attendues en matière de connectique concerne les liaisons à quatre paires torsadées, utilisées pour la transmission des données jusqu’à 40 Gbits/s (40GBase-T). Initialement, les analystes considéraient que la demande pour de tels débits, concernerait d’abord l’informatique de gestion avant d’atteindre le plateau industriel. L’explosion des besoins en transmission de données dans l’usine connectée, risque de sérieusement bouleverser la donne puisque les applications industrielles vont faire exponentiellement croître les besoins en capacité de transfert de données sur et entre les sites de production.

L’autre domaine dans lequel l’utilisation d’Ethernet ne peut que croître concerne les sites sensibles où les bus de terrain tels que Profibus ou AS-I restent majoritairement déployés. Là-encore, la tendance à adopter Ethernet se renforce toujours dans le but d’obtenir des vitesses de transferts plus élevées mais aussi, pour l’effet d’entraînement que constituent les autres industries où cette technologie a déjà fait ses preuves. Lorsqu’un incident survient sur un site à risques, les conséquences peuvent être dramatiques. La capacité d’Ethernet à interconnecter les équipements mais aussi, à faciliter leur supervision de manière centralisée, peut aider les ingénieurs à mettre en place des systèmes de surveillance en temps réel. Preuve s’il en est que cette tendance se renforce, les fabricants spécialisés ont déjà commencé à adapter les connecteurs existants pour répondre aux exigences normatives et aux standards des environnements industriels sensibles comme les zones Atex.