Implémenter des réseaux de contrôle hybrides dans les applications industrielles

Les complexes industriels tels que les raffineries de pétrole et de gaz, les usines chimiques, les terminaux de gaz naturel liquéfié et d'autres installations similaires sont immenses et doivent relever le défi d'améliorer le rendement opérationnel, de soutenir une production flexible, de réduire les coûts et de garantir un fonctionnement sûr et sécurisé. La nature continue des processus de production accroît les défis. Pour garantir un fonctionnement optimal, les réseaux de contrôle industriels de ces usines doivent surveiller en permanence la température, la pression, les vibrations, le débit et d'autres paramètres sur des milliers de sites. Les réseaux peuvent s'étendre sur plusieurs kilomètres (km) et nécessitent diverses technologies de communication de données en cuivre et à fibre optique pour prendre en charge toute une gamme de dispositifs, des capteurs à faible bande passante aux contrôles en temps réel à bande passante plus élevée et aux dispositifs de sécurité.

Pour répondre à ces diverses exigences, les ingénieurs réseau doivent déployer une combinaison optimale de dispositifs de communication en cuivre et divers types de fibres optiques, tous connectés à des commutateurs Industrial Ethernet compacts dotés de sources d'alimentation redondantes, de capacités de températures de fonctionnement élevées, de fonctions de surveillance à distance et de fonctions de sécurité avancées.

Cet article commence par un bref aperçu de l'Industrial Ethernet (IE), y compris la nécessité de réseaux de communication de données hybrides fibre/cuivre, avec un accent particulier sur la fibre optique. Il compare les fibres monomodes (SM) et multimodes (MM), examine les normes relatives aux modules à fibre optique connectables à chaud et le fonctionnement du contrôle de diagnostic numérique (DDM) des modules à fibre optique, puis présente une série de dispositifs de communication de données à fibre optique de Cisco Systems, Phoenix Contact et Intelligent Network Solutions, ainsi qu'un commutateur Industrial Ethernet administré avec un mélange de ports cuivre et fibre optique dans un boîtier IP40 renforcé de Red Lion Controls.

L'IE est basé sur l'utilisation de protocoles Ethernet avec des commutateurs à plage de températures étendue, et des interconnexions renforcées pour résister aux environnements difficiles. L'IE peut prendre en charge le contrôle et le déterminisme en temps réel, et il est mis en œuvre à l'aide d'une gamme de protocoles de communication comme EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET et Modbus TCP.

On attend des réseaux IE qu'ils présentent un certain degré d'interopérabilité entre les systèmes anciens et actuels, tout en offrant des performances prévisibles et en étant faciles à maintenir pour maximiser le temps de fonctionnement. Une combinaison d'interconnexions cuivre et fibre optique est souvent utilisée dans les grandes installations. Le cas échéant, le cuivre peut constituer une alternative moins coûteuse. Toutefois, l'utilisation de la fibre optique permet de réduire les problèmes liés au bruit électrique, de fournir une isolation électrique et de prendre en charge des longueurs d'interconnexion beaucoup plus importantes, ce qui peut être particulièrement utile dans les complexes industriels vastes et dispersés.

Fibre MM ou SM

La lumière se déplace le long d'une fibre optique car la désadaptation de l'indice optique entre le cœur et la gaine provoque une réflexion totale interne. Le diamètre du cœur est critique et définit le cône d'acceptation contenant les angles auxquels la lumière entrant dans la fibre peut continuer à se propager. La fibre SM utilise un petit cœur de 10 micromètres (µm) qui ne peut supporter qu'un seul mode de propagation, appelé mode fondamental. Les fibres optiques MM ont un diamètre de cœur important par rapport à la longueur d'onde de fonctionnement de la lumière. Ces cœurs plus grands guident simultanément de nombreux modes, également appelés modèles d'ondes stationnaires, de lumière (Figure 1). La norme ISO/CEI 11801 définit cinq classes de fibres MM basées sur deux tailles de cœur et diverses caractéristiques de bande passante : OM1, OM2, OM3, OM4 et OM5. Les câbles à fibre optique peuvent être classés en fonction du diamètre du cœur et du câble. Par exemple, 62,5/125 µm fait référence à OM1 MM. Les câbles 50/125 µm sont utilisés pour OM2, OM3, OM4 et OM5 MM, et 10/125 µm est un exemple de câble SM.

Figure 1 : Les fibres MM ont un diamètre relativement grand et peuvent prendre en charge la transmission de plusieurs modes de lumière en même temps. (Source de l'image : Cisco Systems)

Les fibres MM peuvent fonctionner avec des diodes électroluminescentes (LED), mais les modèles les plus performants utilisent des lasers à cavité verticale et à émission par la surface (VCSEL). L'utilisation de VCSEL permet aux réseaux de fibres MM de fournir des débits de données de plusieurs gigabits.

Les cinq catégories de fibres MM sont basées sur la longueur d'onde de la lumière (en nanomètres, nm), le diamètre du cœur en μm et la bande passante modale. La bande passante modale est une mesure du débit de signalisation maximum en mégahertz (MHz) pour une distance donnée en km, ou la distance maximum pour un débit de signalisation donné, et est le produit de la bande passante et de la distance, MHz-km. Pour un câble donné, lorsque la distance est réduite de moitié, le débit de signalisation maximum double. Les classes de fibres MM définies par la norme ISO/CEI 11801 sont les suivantes :

• OM1 : cœur de 62,5 μm avec une bande passante modale minimum de 200 MHz-km à 850 nm
• OM2 : cœur de 50 μm avec une bande passante modale minimum de 500 MHz-km à 850 nm
• OM3 : cœur de 50 μm avec une bande passante modale minimum de 2000 MHz-km à 850 nm
• OM4 : cœur de 50 μm avec une bande passante modale minimum de 4700 MHz-km à 850 nm
• OM5 : cœur de 50 μm avec une bande passante modale minimum de 4700 MHz-km à 850 nm et 2470 MHz-km à 953 nm

La norme OM3 a été conçue pour prendre en charge la norme IEEE 802.3 10GbE Ethernet. Utilisés avec la modulation VCSEL, les câbles OM3 MM peuvent fournir 10 gigabits par seconde (Gb/s) à des distances jusqu'à 300 mètres (m). Dans la plupart des cas, les liaisons fibres OM3 MM sont les solutions les plus rentables pour les applications jusqu'à environ 500 m. Les liaisons OM4 MM peuvent prendre en charge des distances jusqu'à 1 km. Pour des distances plus longues et des débits de données plus élevés, des fibres SM sont nécessaires.

SFP pour cuivre et fibre

L'interface SFP (Small Form-Factor Pluggable) est un format de module réseau compact et connectable à chaud utilisé pour les réseaux de communications de données et de télécommunications. Une interface SFP sur un matériel de mise en réseau comme un commutateur Ethernet est un emplacement modulaire pour un émetteur-récepteur spécifique au support, comme un câble en cuivre ou fibre optique. Les interfaces SFP permettent d'équiper les ports de différents types d'émetteurs-récepteurs selon les besoins. L'interface SFP a remplacé le convertisseur d'interface gigabit (GBIC), précédemment développé et plus grand, et est parfois appelé « mini-GBIC ». Le Small Form Factor Committee a spécifié le facteur de forme, les verrouillages mécaniques et les interfaces électriques dans un accord multi-source, MSA SFF-8472 (Figure 2). En plus des interfaces SFP standard, il est possible d'atteindre des vitesses plus élevées en utilisant SFP+ pour des vitesses jusqu'à 10 Gb/s et SFP28 pour des vitesses de 25 Gb/s.

Figure 2 : Éléments mécaniques d'un module SFP fibre optique mettant en évidence les mécanismes de verrouillage et d'interverrouillage ainsi que les connexions électriques et à fibre optique. (Source de l'image : Intelligent Network Solutions et Jeff Shepard)

Il existe des émetteurs-récepteurs fibre optique SFP qui prennent en charge le réseau optique synchrone (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, le réseau optique passif (PON) et d'autres normes de communication.

Contrôle de diagnostic numérique

La norme MSA SFF-8472 définit également les fonctions DDM pour les émetteurs-récepteurs fibre optique. Le contrôle DDM est parfois appelé contrôle optique numérique (DOM). Le contrôle DDM permet aux administrateurs réseaux de surveiller en temps réel la puissance des entrées/sorties optiques, la température, le courant de polarisation laser et la tension d'alimentation des émetteurs-récepteurs (Figure 3). Le contrôle DDM est une extension de l'interface ID série définie dans la spécification GBIC. Le contrôle DDM comprend des alarmes et des indicateurs d'avertissement qui envoient des alertes si les paramètres de fonctionnement sont en dehors des réglages d'usine pour un fonctionnement normal.

Figure 3 : Le contrôle DDM peut surveiller les performances des émetteurs-récepteurs optiques SFP et envoyer des alertes si l'un des paramètres sort des plages de fonctionnement nominal. (Source de l'image : Intelligent Network Solutions)

Le contrôle DDM est conçu pour aider à prévoir les pannes et à prendre en charge la maintenance préventive pour une disponibilité maximale du réseau. Le fabricant de l'émetteur-récepteur fixe les seuils DDM pour divers paramètres. L'utilisation de l'émetteur-récepteur au-delà de tout seuil entraîne une dégradation des performances et peut provoquer des erreurs de transmission. L'émetteur-récepteur envoie une alarme lorsque la valeur d'un paramètre dépasse un seuil spécifié. De plus, le module cesse d'émettre des données et le récepteur refuse de recevoir tout message. Il n'est pas rare que plusieurs alarmes soient émises en même temps ; par exemple, si la puissance optique d'émission est trop élevée, la température peut également être élevée.

Si le contrôle DDM arrête et protège le système lorsque des seuils prédéfinis sont dépassés, il peut également être utilisé pour surveiller les paramètres de fonctionnement de l'émetteur-récepteur et permettre aux opérateurs de voir les valeurs qui évoluent dans la mauvaise direction avant qu'elles ne dépassent des niveaux dommageables, et ainsi programmer une maintenance préventive.

Fibre MM et portée de 1 km

Les concepteurs de réseaux de contrôles industriels peuvent utiliser le module Gigabit SFP 2891754 de Phoenix Contact pour prendre en charge des transmissions jusqu'à 1 km à l'aide de fibres conçues pour fonctionner avec une longueur d'onde de 850 nm (Figure 4). Ce module est adapté aux applications industrielles et affiche une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C et jusqu'à 95 % d'humidité. La distance de transmission dépend de la fibre utilisée :

• 275 m avec 62,5/125 µm (OM1)
• 550 m avec 50/125 µm (OM2)
• 800 m avec 50/125 µm (OM3)
• 1000 m avec 50/125 µm (OM4)

Figure 4 : Cet émetteur-récepteur optique SFP a une portée de 1 km lorsqu'il fonctionne avec une longueur d'onde de 850 nm et un câble OM4. (Source de l'image : DigiKey)

Portée de 20 km avec une fibre SM

Le module SFP INT 506724 d'Intelligent Network Solutions prend en charge les transmissions de données 1000Base-LX jusqu'à 20 km sur une fibre monomode de 9/125 µm avec un laser de 1310 nm. Il prend en charge le contrôle DDM, et le boîtier en métal réduit les interférences électromagnétiques (EMI) et augmente la durabilité (Figure 5). Sa plage de températures de fonctionnement est de 0°C à +70°C et il est spécifié pour une humidité relative (HR) de 10 % à 85 %.

Figure 5 : Le module SFP INT 506724 d'Intelligent Network Solutions prend en charge les transmissions de données 1000Base-LX jusqu'à 20 km sur une fibre monomode de 9/125 µm avec un laser de 1310 nm. (Source de l'image : Intelligent Network Solutions)

Émetteurs-récepteurs SFP 10 km

Le SFP-10G-BXD-I et le SFP-10G-BXU-I de Cisco fonctionnent avec une fibre SM et prennent en charge des distances de transmission jusqu'à 10 km lorsqu'ils sont branchés à un port SFP+. Ces émetteurs-récepteurs présentent une interopérabilité optique avec les interfaces 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 et 10GBASE XFP sur la même liaison et incluent des fonctions DOM permettant de contrôler les performances en temps réel. Lorsqu'il est utilisé, un SFP-10G-BXD-I se connecte toujours à un SFP-10G-BXU-I. Le SFP-10G-BXD-I transmet un canal de 1330 nm et reçoit un signal de 1270 nm, et le SFP-10G-BXU-I transmet à une longueur d'onde de 1270 nm et reçoit un signal de 1330 nm (Figure 6).

Figure 6 : Ces émetteurs-récepteurs optiques utilisent différentes longueurs d'ondes pour la transmission et la réception des données. (Source de l'image : Cisco Systems)

Commutateur administré Industrial Ethernet

Les ingénieurs réseau qui ont besoin d'un commutateur Gigabit Ethernet administré à 12 ports, avec huit ports et quatre ports combinés SFP, et d'une surveillance Modbus, peuvent se tourner vers le Sixnet SLX-8MG-1 de Red Lion. Le SLX-8MG-1 comporte huit ports 10/100/1000Base-T(X) et quatre ports combo SFP (prenant en charge les émetteurs-récepteurs fibre optique 100Base ou 1000Base). Le SLX-8MG est logé dans un boîtier fin à rail DIN en métal durci pour une utilisation en environnements industriels difficiles. Il prend en charge des entrées d'alimentation redondantes de 10-30 VCC et une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +75°C. Il inclut également la surveillance à distance Modbus/TCP, des fonctionnalités de sécurité avancées, une résistance étendue aux chocs et aux vibrations, ainsi que des niveaux élevés d'immunité aux surtensions et au bruit électrique.

Figure 7 : Le commutateur Gigabit Ethernet administré SLX-8MG-1 est doté de huit ports 10/100/1000Base-T(X) et de quatre ports combo SFP (en haut à gauche). (Source de l'image : Red Lion)

Conclusion

Les réseaux fibre optique et cuivre hybrides peuvent contribuer à améliorer le rendement opérationnel, à favoriser une production flexible, à réduire les coûts et à garantir un fonctionnement sûr et sécurisé dans les opérations industrielles à grande échelle telles que les raffineries de pétrole et de gaz et les usines chimiques. Les ingénieurs réseau peuvent utiliser des commutateurs Gigabit Ethernet administrés pour déployer un mélange de liaisons de communications fibre optique et cuivre. L'utilisation de fibres MM et SM permet des bandes passantes modales optimales, et l'intégration de la capacité DDM permet d'effectuer une maintenance préventive afin de garantir une disponibilité maximale du réseau.