Dans les années 70, l'« industrie 3.0 » était le nom du changement de paradigme dans l'industrie manufacturière qui a adopté les technologies de l'information pour stimuler l'automatisation et améliorer la productivité, la précision et la flexibilité. Avec le développement de l'industrie 4.0, l'automatisation à grande échelle de l'industrie grâce aux technologies intelligentes, à la communication de machine à machine (M2M) et à l'apprentissage automatique (machine learning, ML), est devenue réalité. La principale différence entre les deux réside dans le fait que l'industrie 3.0 fournissait des informations permettant aux humains de prendre de meilleures décisions, tandis que l'industrie 4.0 utilise des informations numériques pour optimiser les processus, en grande partie sans notre intervention.

De plus, l'industrie 4.0 peut désormais établir un lien entre le bureau d'études de l'usine et son atelier de fabrication. Grâce aux communications M2M, la conception assistée par ordinateur (CAO) peut communiquer avec les machines-outils et les programmer directement pour fabriquer des pièces. Les machines-outils peuvent également communiquer avec la CAO pour l'informer des défies rencontrés dans le processus de production, de sorte que les articles peuvent être modifiés pour les rendre plus faciles à fabriquer.

L'Internet industriel des objets (IIoT) est la plateforme sur laquelle les fabricants construisent leurs solutions industrie 4.0. L'un des rôles importants du réseau est de former des boucles de rétroaction grâce auxquelles les capteurs surveillent les processus. Leurs données sont ensuite utilisées pour contrôler et améliorer le fonctionnement des machines.

La mise en œuvre de l'IIoT est loin d'être simple, mais le plus grand défi est sans doute le coût de l'investissement. Si l'investissement peut être justifié par les économies réalisées grâce à l'amélioration de la conception et de la fabrication, ce qui se traduit par une augmentation de la productivité et une diminution des défaillances des produits, tout ce qui peut réduire les sorties de capitaux est susceptible d'accélérer l'adoption de l'industrie 4.0. L'un des moyens d'y parvenir est de faire reposer le réseau IIoT d'une usine sur une technologie de communication Ethernet éprouvée, accessible et relativement peu coûteuse.

Ethernet pour l'industrie

En tant qu'option de réseau câblé la plus répandue dans le monde, le protocole Ethernet bénéficie d'une bonne prise en charge par les fournisseurs et d'une interopérabilité IP. En outre, un même jeu de câbles peut être utilisé pour transporter le courant et les données afin d'alimenter les capteurs, les actionneurs et les caméras connectés.

Avec ses connecteurs et câbles robustes, l'« Ethernet industriel » s'appuie sur la version grand public de l'Ethernet pour fournir une technologie éprouvée et mature pour l'automatisation industrielle. L'Ethernet industriel assure non seulement le transport d'informations vitales, mais permet également à un superviseur distant d'accéder facilement aux machines, aux automates programmables et aux contrôleurs de l'atelier.

Toutefois, le protocole Ethernet standard est sujet à la perte de paquets, ce qui augmente son temps de latence. Il n'est donc pas adapté aux chaînes de montage synchronisées et à progression rapide. Pour pallier les faiblesses du protocole standard, le matériel Ethernet industriel est associé à des protocoles industriels déterministes à faible latence, notamment Ethernet/IP, ModbusTCP et PROFINET.

Les déploiements de l'Ethernet industriel utilisent des versions renforcées du câble CAT 5e pour le produit standard et, pour l'Ethernet Gigabit certifié, le câble CAT 6. Le câble CAT 5e, par exemple, comprend huit fils regroupés en quatre paires torsadées. La torsion limite les interférences de signaux (« cross talk ») entre chaque paire de fils. Une paire offre les deux côtés d'une connexion duplex. Pour les systèmes à haut débit, tels que Gigabit Ethernet, les quatre paires sont utilisées pour transporter les données. Les systèmes ayant des exigences de débit plus faibles (jusqu'à 100 mégabits par seconde) peuvent fonctionner en utilisant seulement deux paires torsadées, laissant les paires restantes pour des éléments tels que l'alimentation ou les services téléphoniques conventionnels.

Les solutions propriétaires comblent les lacunes

L'un des inconvénients de l'utilisation du câble CAT 5e pour les déploiements IIoT est qu'il est surdimensionné pour de nombreuses tâches. L'Ethernet haut débit est tout à fait approprié lorsque les machines-outils sont programmées par la CAO, mais il n'est guère nécessaire pour un capteur indiquant la vitesse d'une bande transporteuse. Une grande partie de l'IIoT basé sur Ethernet est utilisée pour collecter des quantités modestes d'informations de capteurs afin d'optimiser le processus de fabrication. Cela pourrait signifier beaucoup de dépenses en immobilisations liées à des kilomètres de câbles avec des capacités d'ingénierie qui ne seront jamais utilisées.

Dans le secteur industriel sensible aux coûts, un tel gaspillage est généralement évité en recourant à des solutions de remplacement moins onéreuses. Au lieu d'investir dans des câbles coûteux, les fabricants optent pour des alternatives propriétaires de bus de terrain beaucoup moins chers pour connecter des capteurs et des systèmes qui n'ont pas besoin de toutes les capacités d'Ethernet. Ces bus de terrain sont généralement utilisés pour des applications telles que l'instrumentation industrielle et les E/S à distance et offrent des longueurs de câble allant jusqu'à un kilomètre et des débits de données brutes allant jusqu'à dix mégabits par seconde. Bon nombre de ces options de bus de terrain propriétaires, par exemple, HART, PROFIBUS PA et 4-20 mA, utilisent un câble à paire torsadée unique relativement peu coûteux.

Aujourd'hui, les usines qui mettent en œuvre l'industrie 4.0 utilisent l'Ethernet standard pour des fonctions telles que la planification des ressources de l'entreprise (ERP) et la CAO, l'Ethernet industriel pour les opérations d'ingénierie et la gestion des actifs de l'usine, et des bus de terrain propriétaires pour l'instrumentation et les E/S à distance. Cette solution n'est pas idéale, car si les deux premiers systèmes fonctionnent bien ensemble, le dernier n'est pas interopérable avec eux.

Présentation de l'Ethernet à paire unique

L'IEEE 802.3cg, une modification récente à la spécification Ethernet, est conçu pour répondre aux applications industrielles qui sont actuellement desservies par des bus de terrain non Ethernet. Cette modification prend de l'ampleur car elle permet à toutes les opérations industrielles de l'industrie 4.0 d'utiliser la plateforme Ethernet. Tous les équipements, du serveur cloud principal de l'usine aux terminaux distants, en passant par le plus petit détecteur thermostatique, seront en mesure de communiquer entre eux par le biais d'un protocole unique basé sur des normes.

Le câble Ethernet à paire unique (Single Pair Ethernet, SPE), qui, comme son nom l'indique, transporte des données sur une seule paire torsadée plutôt que sur le câble CAT 5e à paires multiples de l'Ethernet industriel classique, est un élément clé de la modification à la spécification. C'est une aubaine pour les propriétaires d'usine, car cela réduit considérablement le coût et l'encombrement d'une grande partie du câblage de communication de leurs bâtiments. Mieux encore, même s'il est équipé de nouveaux connecteurs Ethernet, le câblage à paire torsadée unique des bus de terrain propriétaires existants peut être réutilisé pour le SPE : il n'est pas nécessaire de retirer des kilomètres de vieux câbles pour les remplacer par de nouveaux.

La norme EEE 802.3cg introduit également deux nouvelles couches physiques (PHY) pour s'adapter aux applications industrielles et réduire les coûts. La première est destinée aux applications à courte portée (jusqu'à 15 mètres), tandis que la seconde offre une portée allant jusqu'à un kilomètre et comprend un niveau d'émission amplifié en option pour une meilleure tolérance au bruit et un mode inactif à faible consommation pour économiser de l'énergie.

L'importance de réussir du premier coup

La fabrication moderne exige précision et répétabilité. Un composant ou un sous-ensemble doit être fabriqué selon des tolérances suffisamment serrées pour pouvoir être utilisé dans des milliers d'exemples de produits finis et fonctionner parfaitement pendant des années. À mesure que les objets deviennent plus petits ou plus complexes, plus la précision requise est grande : imaginez fabriquer constamment une montre mécanique haut de gamme ou le dernier smartphone.

L'IIoT peut apporter cette précision en permettant le contrôle en temps réel et repérer les déviations avant qu'elles ne deviennent incontrôlables. Des produits bien conçus dès le départ réduisent les risques de défaillance et les réclamations sans fin des consommateurs au titre de la garantie. Cette approche permet également de réaliser des économies mais, surtout, elle est plus durable : bien faire les choses du premier coup économise de l'énergie ainsi que des matériaux précieux et réduit les émissions.

Conclusion

L'Ethernet à paire unique permet aux ingénieurs de tirer parti de l'Ethernet industriel dans l'ensemble de l'usine, même pour l'utilisation du plus petit capteur. Cela facilite la collecte et l'analyse des données approfondies nécessaires pour améliorer les opérations de fabrication et optimiser l'impact des nouvelles technologies telles que l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle.

À propos de l’auteur

Steven Keeping a obtenu une licence (avec mention) à l'Université de Brighton, au Royaume-Uni, avant de travailler dans les divisions d'électronique d'Eurotherm et de BOC pendant sept ans. Il s’est ensuite joint au magazine Electronic Production et a passé 13 ans dans des rôles de rédacteur en chef dans les domaines de la fabrication, les essais et la conception de produits électroniques, notamment What’s New in Electronics et Australian Electronics Engineering pour Trinity Mirror, CMP et RBI au Royaume-Uni et en Australie. En 2006, Steven est devenu un journaliste indépendant spécialisé en électronique. Il est basé à Sydney.