EUR | USD

Simplifier la mise en réseau Industrial Ethernet grâce aux commutateurs PoE intelligents

Par Bill Giovino

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Ethernet est le protocole de mise en réseau filaire le plus utilisé dans les applications de l'Internet industriel des objets (IIoT). Par conséquent, les câbles Ethernet sont omniprésents dans toutes les installations d'automatisation industrielle. Étant donné qu'une alimentation électrique doit également être disponible partout où Ethernet est installé, les lignes électriques sont également présentes dès qu'il y a des câbles Ethernet, généralement dans les mêmes faisceaux de câbles.

La technologie Power over Ethernet (PoE) a émergé pour simplifier considérablement les installations d'automatisation industrielle. L'énergie électrique est transmise par le même câble que la connectivité Ethernet, ce qui réduit le nombre de câbles à déployer dans l'installation, pour une configuration ou une reconfiguration d'un site de fabrication plus simple.

Cet article explique comment les commutateurs Industrial Ethernet intelligents qui prennent en charge la technologie PoE peuvent simplifier une configuration d'usine tout en réduisant les coûts. Il présente ensuite deux commutateurs Ethernet à rail DIN de Henrich Electronics qui peuvent fournir à la fois la connectivité réseau et l'alimentation via le même câble Ethernet.

Simplifier la disposition des câbles pour l'automatisation industrielle

De nombreuses installations d'automatisation industrielle sont conçues pour être facilement reconfigurées. Par exemple, il peut s'avérer nécessaire de démonter une ligne d'assemblage dans une usine de fabrication et de la reconfigurer pour fabriquer un autre produit. La combinaison d'Ethernet avec PoE augmente la modularité d'une usine en transformant presque certains équipements en dispositifs de type plug-and-play : il suffit de brancher le câble Ethernet pour fournir à la fois la connectivité réseau et l'alimentation. Cela simplifie la configuration de l'usine et donc l'acheminement des câbles vers les équipements.

Cela permet également de gagner du temps lors de la conception de l'installation tout en réduisant les coûts du câblage supplémentaire et la main-d'œuvre requise pour déployer les câbles. De plus, en fournissant une source d'alimentation centrale pour chaque point d'extrémité PoE (ou dispositif alimenté, PD) sur le réseau, la technologie PoE offre un seul point de maintenance. Un commutateur ou un concentrateur compatible PoE peut fournir en toute sécurité jusqu'à 90 watts (W) pour chaque dispositif alimenté, ce qui en fait une option adaptée aux caméras, aux panneaux de commande compacts et à certains équipements d'usine comme les vannes ou les portes.

La technologie PoE libère également de l'espace pour le câblage supplémentaire. La plupart des faisceaux de câbles dans les installations industrielles sont limités à environ 24 câbles au total en raison de problèmes de chaleur. Les câbles d'un même faisceau sont généralement maintenus ensemble à l'aide d'attaches torsadées à usage intensif qui maintiennent les câbles étroitement serrés les uns contre les autres. Par conséquent, tous les câbles du faisceau partagent et emprisonnent la chaleur, ce qui augmente la température de l'ensemble du faisceau de câbles, un phénomène appelé « échauffement ». Étant donné que la résistance augmente avec la température, à mesure que l'échauffement augmente, la perte de puissance et de signal due à la chaleur réduit le rendement énergétique de chaque câble du faisceau. La technologie PoE élimine de nombreux câbles d'alimentation utilisés dans l'automatisation industrielle, ce qui permet de réduire le nombre de câbles dans un faisceau. La chaleur est ainsi réduite, ce qui empêche la dégradation du signal dans les paires torsadées Ethernet. Cela améliore également le rendement du transfert de puissance vers les équipements.

Il existe actuellement trois normes pour la mise en place de la technologie PoE avec des câbles Ethernet Cat5e standard : la norme 802.3af peut acheminer jusqu'à 15,4 W de puissance CC depuis l'équipement d'alimentation électrique vers chaque dispositif alimenté ; la norme 802.3at (PoE+) fournit jusqu'à 25,5 W de puissance ; la norme 802.3bt (PoE++) peut fournir jusqu'à 60 W de puissance via des câbles Ethernet Cat5e standard. La norme 802.3bt peut également prendre en charge jusqu'à 90 W de puissance avec des câbles Cat6 ou Cat6a, qui présentent un plus grand calibre. Chacune de ces normes est rétrocompatible.

Ajouter Ethernet et PoE à une nouvelle installation d'automatisation industrielle

La façon la plus simple d'ajouter la technologie PoE lors de la construction d'un nouveau réseau consiste à intégrer des commutateurs Ethernet prenant en charge PoE. Une solution simple consiste à utiliser le commutateur Ethernet PoE non administré à cinq ports à rail DIN HES5A-4E60-VL de Henrich Electronics (Figure 1).

Image du commutateur Ethernet HES5A-4E60 de Henrich ElectronicsFigure 1 : Le commutateur Ethernet HES5A-4E60 de Henrich Electronics fournit cinq ports Ethernet, dont quatre prennent en charge la norme 802.3bt PoE++. (Source de l'image : Henrich Electronics)

Le commutateur Ethernet non administré HES5A-4E60 de Henrich Electronics se monte sur un panneau ou un rail DIN standard. Il ne mesure que 92 mm x 116 mm x 67,2 mm, ce qui le rend adapté aux installations soumises à des contraintes d'espace. Le HES5A-4E60-VL possède cinq ports Ethernet sur le panneau avant. L'un d'entre eux est un port 10/100Base-T standard, tandis que les quatre autres sont des ports Ethernet PoE++ capables de fournir jusqu'à 60 W de puissance à chaque dispositif alimenté. Avec des câbles Cat6/a, le HES5A-4E60-VL peut fournir jusqu'à 90 W. Il est répertorié IP40 et peut fonctionner de -40°C à +60°C, ce qui le rend adapté à la plupart des installations d'automatisation industrielle.

Le HES5A-4E60-VL est également rétrocompatible avec les normes PoE précédentes, à savoir la norme 802.3af qui prend en charge 15,4 W par point d'extrémité, et la norme 802.3at qui prend en charge 25,5 W par point d'extrémité.

Lorsqu'un câble est branché sur l'un de ses quatre ports Ethernet PoE++, le HES5A-4E60-VL lance un bref protocole de mise en liaison PoE avec le dispositif alimenté. Cette mise en liaison détermine si le point d'extrémité nécessite une alimentation PoE et, si tel est le cas, la quantité de puissance demandée par le point d'extrémité. Cela permet au commutateur PoE d'appliquer en toute sécurité et efficacement la puissance demandée au point d'extrémité Ethernet et de déconnecter l'alimentation du dispositif alimenté en toute sécurité si le câble Ethernet est débranché ou si le point d'extrémité cesse de répondre. Si un dispositif alimenté est correctement alimenté, un voyant LED pour ce port PoE sur le commutateur s'allume pour indiquer que le port est alimenté. Cela permet également de diagnostiquer tout problème d'alimentation. Par exemple, si un dispositif alimenté ne fonctionne pas et que le voyant PoE correspondant est éteint, cela peut indiquer un câble endommagé ou débranché. Cela peut également signifier que le point d'extrémité n'effectue pas correctement la mise en liaison PoE.

Le HES5A-4E60-VL est un commutateur non administré, ce qui signifie qu'il est de type plug-and-play. Une fois qu'un câble Ethernet est branché sur l'un de ses cinq ports, le commutateur demande l'adresse MAC Ethernet du point d'extrémité. Le HES5A-4E60-VL a une table MAC de 1024 entrées pour stocker les entrées MAC connues avec des adresses IP. Si l'adresse MAC n'est pas dans la table MAC, une nouvelle adresse IP lui est attribuée. Si l'adresse MAC se trouve dans la table, l'adresse IP est lue à partir de l'entrée de la table MAC, puis attribuée au point d'extrémité. Il n'est pas nécessaire de configurer ni d'administrer le commutateur de quelque façon que ce soit.

Pour les réseaux d'automatisation industrielle plus sophistiqués, Henrich Electronics propose le commutateur Ethernet PoE+ administré à six ports à rail DIN HES6GM-4E-2SFP-VLW (Figure 2). Ce commutateur Ethernet répertorié IP30 offre une vaste plage de températures de fonctionnement de -40°C à +75°C, ce qui le rend adapté aux environnements industriels secs et sans poussière qui peuvent connaître des températures extrêmes trop inhospitalières pour une exposition humaine à long terme.

Il possède une table MAC de 4096 entrées et prend en charge le protocole 10/100/1000Base-T, ce qui le rend compatible avec la dernière norme Gigabit Ethernet. Il prend en charge jusqu'à 30 W de puissance pour chaque dispositif alimenté.

Image du commutateur Ethernet à rail DIN HES6GM-4E-2SFP-VLW de Henrich ElectronicsFigure 2 : Le commutateur Ethernet à rail DIN HES6GM-4E-2SFP-VLW de Henrich Electronics est équipé de six ports Ethernet, dont quatre prennent en charge la technologie PoE+. Il est possible de le configurer au moyen d'un navigateur Web pour définir des alarmes et des alertes pour diverses opérations. (Source de l'image : Henrich Electronics)

La série HES6GM-4E peut être montée sur panneau ou rail DIN. Il s'agit d'un commutateur administré, ce qui signifie qu'il peut être entièrement plug-and-play comme le HES5A-4E60 ou qu'il peut être configuré à l'aide d'un navigateur Web à partir d'un PC connecté à l'un de ses ports Ethernet. La sécurité permet à dix adresses IP maximum d'accéder à l'interface du navigateur Web. D'autres fonctionnalités de l'interface de configuration du navigateur Web incluent des alertes par e-mail automatiques pour les problèmes de sécurité, la définition des paramètres du protocole DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), le contrôle et la limitation du trafic basé sur les ports, la redirection des ports et l'accès au journal système. L'interface du navigateur peut également accéder à la table MAC de 4096 entrées pour consulter, modifier ou supprimer des entrées.

Réaliser le câblage dans les environnements industriels difficiles

Les environnements industriels peuvent subir des températures extrêmes et être exposés à des liquides tels que de l'eau salée, des huiles et des carburants, qui peuvent corroder les surfaces non protégées. En ce qui concerne le câblage, les mauvais traitements à répétition comme les étirements sur les arêtes saillantes des murs ou les camions qui roulent dessus peuvent dégrader ou endommager le blindage des câbles, voire, dans les cas extrêmes, rompre les conducteurs électriques qui acheminent les données et l'alimentation. Il faut donc un câble de classe industrielle à usage intensif conçu pour résister à ces conditions industrielles. De plus, pour gérer à la fois le signal et la puissance, la technologie PoE nécessite des câbles haut de gamme. Quatre paires torsadées sont nécessaires pour acheminer les données et l'alimentation. Le calibre du fil ne doit pas être inférieur à 24 AWG pour minimiser l'échauffement et assurer un rendement suffisant afin de fournir 60 W de puissance par câble.

Pour les environnements les plus difficiles, Samtec Inc. a lancé l'assemblage de câbles Ethernet Cat5e RCE-01-G-13.00-D (Figure 3). Ce câble de 13 mètres contient quatre paires torsadées (deux paires pour les données et deux paires pour l'alimentation PoE).

Image de l'assemblage de câbles Cat5e RCE-01-G-13.00-D de Samtec Inc.Figure 3 : Le RCE-01-G-13.00-D de Samtec Inc. est un assemblage de câbles Cat5e répertorié IP68. Le câble et les connecteurs RJ45 peuvent résister aux environnements industriels les plus difficiles. (Source de l'image : Samtec Inc.)

Chaque connecteur mâle RJ45 présente une conception rectangulaire compacte et est étanche à la poussière et aux liquides. Les connecteurs utilisent un mécanisme de verrouillage push-to-seal (pousser pour verrouiller) qui émet un clic audible distinct lors d'une insertion correcte. Les pattes de verrouillage sont conçues pour être facilement retirées avec un minimum d'efforts.

Le câble Cat5e RCE-01-G-13.00-D utilise des conducteurs 24 AWG, ce qui le rend adapté à la distribution de puissance 802.3af et 802.3at.

Conclusion

La technologie PoE est devenue plus facile à utiliser grâce au lancement de commutateurs Ethernet capables de gérer l'alimentation. La sélection du commutateur Ethernet PoE approprié pour une application d'automatisation industrielle peut faire gagner du temps et réduire les coûts, tout en assurant une distribution de puissance sûre et efficace ainsi qu'une connectivité réseau fiable via le même câble.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Bill Giovino

Bill Giovino est un ingénieur en électronique titulaire d'un BSEE de l'Université de Syracuse, et l'une des rares personnes à avoir réussi à passer de l'ingénierie de conception à l'ingénierie des applications sur le terrain et au marketing technologique.

Depuis plus de 25 ans, Bill œuvre à la promotion des nouvelles technologies devant un public technique et non technique pour de nombreuses entreprises, notamment STMicroelectronics, Intel et Maxim Integrated. Chez STMicroelectronics, Bill a contribué aux premiers succès de l'entreprise dans l'industrie des microcontrôleurs. Chez Infineon, Bill a orchestré les premiers succès de l'entreprise en matière de conception de microcontrôleurs dans l'industrie automobile américaine. En tant que consultant marketing pour son entreprise CPU Technologies, Bill a aidé de nombreuses entreprises à transformer des produits sous-performants en réussites.

Bill a été l'un des premiers à adopter l'Internet des objets, notamment en mettant la première pile TCP/IP complète sur un microcontrôleur. Bill pense que les ventes passent par l'éducation et accorde une importance croissante à une communication claire et bien écrite pour la promotion des produits en ligne. Il est modérateur du groupe populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing et parle couramment le B2E.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key