Sécurité, performances et fiabilité dans les réseaux industriels physiques

L'un des avantages d'Ethernet est qu'il a véritablement standardisé la simplicité de connexion. Toutefois, un mauvais choix de composants peut représenter un risque voire un danger pour la sécurité, les performances et/ou la fiabilité dans les environnements industriels. Comme pour les autres fils, câbles et connecteurs utilisés dans les panneaux de commande, les machines et les équipements, des plans doivent être établis pour les conditions d'environnements dynamiques pour le câblage Ethernet. Dans cet article, nous examinerons les facteurs environnementaux fréquents et omniprésents comme le bruit EMI (interférences électromagnétiques), ainsi que les stratégies et les solutions de produits capables d'atténuer, voire d'éliminer ce bruit pouvant menacer les performances des dispositifs Ethernet.

Meilleures pratiques de gestion EMI dans le panneau de commande

Le boîtier du panneau de commande d'une machine fournit une barrière EMI protégeant les circuits internes de sources de bruit externes. Les cordons de raccordement Ethernet industriels de Panduit sont constitués de câbles divisés, à paires torsadées de catégories 5e et 6A, de grade industriel, pour les installations UTP et STP. Chaque cordon de raccordement est répertorié UL, NEMA et IP, pour supporter un lavage léger et des conditions d'immersion temporaire sans perte de performances afin de garantir la fiabilité. Toutefois, les circuits internes génèrent également des interférences électromagnétiques. Les dispositifs contenus dans ces boîtiers peuvent être plus exposés, en raison de leur sensibilité et de leur proximité avec ces sources internes génératrices d'EMI. Les commandes de ces processus industriels résident dans ces boîtiers, c'est pourquoi une protection supplémentaire est nécessaire, même si les dispositifs sont déjà protégés contre les interférences électromagnétiques extérieures (Figure 1).

Figure 1 : Risques de bruit EMI dans un boîtier pour les systèmes d'automatisation industrielle. (Source de l'image : Panduit)

En raison de la proximité immédiate des dispositifs sensibles avec les sources de bruit, les principaux modes d'interférences électromagnétiques dans un boîtier sont les couplage capacitif et le couplage inductif. La compréhension de ces deux sources permet d'examiner comment les meilleures pratiques et la spécification de produits d'atténuation du bruit améliorent la fiabilité des équipements.

Ces deux modes de couplage ne sont pas intentionnels et surviennent lorsque le courant qui circule dans un fil induit une tension sur un fil parallèle se trouvant dans son champ magnétique. Le couplage capacitif est plus problématique dans les circuits haute fréquence, tandis que le couplage inductif l'est davantage dans les circuits à fort courant. L'amplitude du bruit généré peut être mesurée à l'aide d'un oscilloscope avec un fil « victime » attaché (Figure 2). Une approche multicouche visant à atténuer les interférences électromagnétiques est recommandée pour maintenir les opérations de l'infrastructure critique de communication et de commande. Ces couches de protection incluent des méthodes de mise à la terre et de connexion, l'isolement et la séparation de fils, l'utilisation de barrières, le blindage de câbles et l'utilisation de filtres. Le conduit de câble blindé et l'écran acoustique PanelMax™ de Panduit permettent de router, séparer et protéger les fils sensibles contre les émissions de bruit. Ils permettent de placer les chemins plus près, et donc de gagner un espace précieux dans les panneaux de commande industriels. Le blindage fournit une réduction du bruit (EMI/RFI) jusqu'à 20 dB ou une réduction de la tension de bruit (NVR) de 90 %, ce qui équivaut à un espacement d'air de 150 mm entre le câblage sensible et le câblage émetteur de bruit.

Figure 2 : Types et sources d'interférences électromagnétiques et pratiques pour les atténuer. (Source de l'image : Panduit)

Le type de blindage utilisé dans le câble sélectionné correspond aux sources du bruit et au type de bruit attendus dans l'environnement.

Il est important de sélectionner l'infrastructure appropriée pour les communications réseau dans un environnement industriel. Une question revient souvent : quand et comment utiliser un câble blindé ? Le câblage blindé est souvent utilisé dans les environnements industriels pour atténuer les interférences indésirables qui s'introduisent dans le câblage réseau Ethernet. Les câbles non blindés offrent un certain degré de protection contre les interférences grâce à une conception à paire torsadée équilibrée, mais ils n'assurent pas le même niveau de protection que les câbles blindés. Cet « équilibre électrique » permet aux câbles de minimiser les effets des interférences électromagnétiques. Plus l'équilibre est bon, plus la protection est importante. Dans les zones industrielles où les interférences sont abondantes, l'utilisation de câblage blindé fournit une couche supplémentaire de protection.

Qu'est-ce que le bruit électrique ?

Le câblage blindé est principalement utilisé dans les environnements contenant des sources de bruit électrique à proximité de câblage de communication. L'environnement dans lequel le câble est installé détermine largement s'il convient d'utiliser un câble blindé ou non blindé. La norme ANSI/TIA-1005-A détaille le système de classification MICE (mécanique, infiltration, climatique-chimique, électromagnétique). Le guide M.I.C.E. de Panduit est un outil efficace qui fournit des instructions utiles pour quantifier la quantité de contraintes environnementales, comme le bruit électrique, selon la classification.

Raisons d'utiliser un câble blindé :

• Mandaté par les spécifications de l'entreprise ou les exigences locales - Les entreprises de fabrication et les intégrateurs de systèmes dans certains marchés verticaux travaillent largement dans des environnements où l'installation de câbles réseau est difficile. Cette connaissance communautaire d'environnements connus pour être « électriquement bruyants » est retranscrite au mieux dans la documentation relative aux spécifications et aux normes des entreprises. Il est courant que ces entreprises incluent des exigences et des directives sur les conceptions et la documentation technique (meilleures pratiques) pour savoir quand utiliser un câble blindé pour certaines applications.

  Une conception correcte d'infrastructure de câblage consiste à éviter autant que possible les zones électriquement bruyantes et à utiliser les meilleures pratiques, telles que le croisement de lignes CA à 90 degrés et une mise à la terre appropriée du blindage sur les câbles blindés.

• L'infrastructure est située à proximité d'un environnement d'usine et la transmission de données est critique - Souvent, les lignes de transmission de données situées à proximité d'un environnement d'usine sont exposées à un certain niveau de contrainte environnementale. Les câbles de grade entreprise ne sont généralement pas aussi robustes que les câbles répertoriés pour les applications industrielles. L'utilisation de câbles industriels est indiquée dans les cas d'exposition à différents types de produits chimiques, d'infiltration de liquides, de bruit électrique et dans les applications de flexion. Le fait de spécifier le câble approprié lors de la phase de conception améliorera la longévité et les performances du système complet.
• Applications de contrôle de mouvement et d'automatisation haute vitesse - En raison de l'environnement intrinsèquement bruyant des systèmes de contrôle de mouvement et d'automatisation haute vitesse, de nombreux fournisseurs exigent ou recommandent l'utilisation de câbles blindés. Ces systèmes sont soumis à des contraintes temporelles et dépendent de chaque paquet d'informations. Même si la différence n'est qu'une question de millisecondes, une machine haute vitesse peut se mettre hors ligne ou endommager l'équipement. Dans des cas extrêmes de bruit électrique dû au mouvement, il est recommandé d'utiliser une fibre optique de contrôle.
• Niveaux MICE (mécanique, infiltration, climatique-chimique, électromagnétique) E₂ ou E₃

Figure 3 : Les niveaux MICE E₂ ou E₃ reflètent des niveaux importants d'interférences sonores. Le système de classification MICE est un outil efficace de la norme TIA-1005 qui fournit des directives utiles pour quantifier les quantités de contraintes environnementales comme le bruit électrique par classification. Pour en savoir plus sur le système MICE, reportez-vous à la norme ou au guide MICE de Panduit sur le site Web de Panduit. (Source de l'image : Panduit)

Le bruit électrique sous forme d'interférences électromagnétiques et de perturbations radioélectriques (RFI) est fréquent dans les environnements industriels. Ces formes de bruit électrique peuvent perturber la transmission au niveau du câblage réseau Ethernet. Les sources d'interférences électromagnétiques incluent, sans s'y limiter, les moteurs électriques, les variateurs de fréquence, les contacteurs/relais, le soudage, l'éclairage fluorescent et les communications radio. Ces dispositifs sont utilisés dans les environnements industriels et affectent souvent le câblage réseau via le couplage inductif, magnétique ou capacitif. Le bruit électrique peut aussi être transmis par l'intermédiaire de nœuds communs. Toutefois, une connaissance approfondie de ces principes n'est pas requise pour développer une infrastructure physique bien conçue. La séparation physique au moyen d'un espace vide et/ou de barrières d'isolement est efficace, mais, à certains points, le câblage réseau Ethernet reste exposé au danger du bruit. Il peut s'avérer difficile de déterminer la source du bruit dans un système de commande, et cela peut demander du temps et un certain nombre d'équipements de test. C'est pourquoi le respect des meilleures pratiques de conception de l'infrastructure physique peut permettre d'économiser des ressources et un temps précieux, tout en garantissant de meilleures performances. Les systèmes de mise à la terre et de connexion font partie intégrante de l'infrastructure de communication Ethernet, mais il ne s'agit pas d'une science exacte. Chaque application présente ses propres situations uniques en matière de bruit environnemental et de mise à la terre, exigeant le recours aux meilleures pratiques et à une certaine expérience. Une mise à la terre et des connexions inadéquates peuvent entraîner du bruit qui perturbe la transmission des paquets Ethernet.

Pour en savoir plus sur les applications de blindage, consultez le guide d'application en environnement industriel de Panduit, ou téléchargez le livre blanc sur l'atténuation du bruit pour les panneaux de commande. Pour plus d'informations sur les directives MICE, consultez la page d'accueil MICE sur le site Web de Panduit.