Bus de communication en milieu industriel : types, topologies et recommandations d’installation

Les bus de communication industriels facilitent l’échange d’informations entre les appareils dans les usines, les sites de production et d’autres environnements industriels. Les bus tels que Profibus, Modbus et Profinet permettent l’intégration de capteurs, d’actionneurs et de contrôleurs de manière efficace et fiable, en assurant la transmission de données en temps réel. Dans cet article, nous aborderons les types de bus de communication les plus couramment utilisés dans l’industrie, leurs topologies, les recommandations d’installation et une réflexion sur l’avenir de la communication sans fil dans ces systèmes.

Types de bus de communication

1. Modbus RTU et Modbus TCP/IP : Modbus est l’un des protocoles les plus utilisés et existe en version série (RTU) et Ethernet (TCP/IP). Il s’agit d’un protocole ouvert et peu coûteux qui permet la communication entre différents équipements d’un même système. Cependant, en Modbus RTU, la vitesse de transmission est limitée (typiquement 9600-115200 bps) et il n’est pas conçu pour les réseaux à grande échelle.
2. Profibus : développé par Siemens, Profibus est un protocole largement utilisé en Europe. Profibus DP est idéal pour les réseaux d’automatisation rapides (jusqu’à 12 Mbps) et peut supporter des longueurs allant jusqu’à 1200 mètres avec des câbles de haute qualité. Profibus PA, quant à lui, est utilisé dans les zones classées et permet d’alimenter les appareils connectés.
3. Profinet : ce protocole de Siemens est basé sur Ethernet et permet des vitesses de transmission supérieures à 100 Mbps. Avec des caractéristiques telles que la redondance et la topologie en anneau, Profinet est idéal pour les applications critiques où la disponibilité du réseau est essentielle.
4. EtherCAT : EtherCAT, un protocole basé sur Ethernet, se distingue par sa faible latence et sa vitesse (jusqu’à 100 Mbps), ce qui le rend idéal pour les applications de contrôle de mouvement en temps réel.
5. CANopen : basé sur le protocole CAN (Controller Area Network), il est courant dans les applications automobiles et industrielles. Il permet une vitesse maximale de 1 Mbps et est idéal pour les petits réseaux en raison de sa simplicité et de son faible coût.

Topologies de réseaux

1. Topologie de bus : la topologie de bus est la configuration préférée pour les bus de terrain, tels que Modbus et Profibus, en raison de sa simplicité et de son efficacité. Elle est particulièrement utile pour éviter les rebonds de paquets et les problèmes de synchronisation. Dans ce schéma, les appareils sont connectés en série et nécessitent des terminateurs aux extrémités pour éviter les réflexions de signaux.
2. Topologie en étoile : courante dans les réseaux Ethernet tels que Profinet et Modbus TCP/IP, la topologie en étoile s’articule autour d’un commutateur ou d’un routeur qui facilite la connexion des appareils. Bien qu’elle ne soit pas la configuration la plus efficace en termes de câblage, elle facilite le diagnostic et l’expansion.
3. Topologie en anneau : utilisée dans les réseaux industriels basés sur Ethernet tels que Profinet et Ethernet/IP, cette topologie permet une redondance élevée. En cas de panne sur l’une des branches de l’anneau, le système réachemine automatiquement le trafic, ce qui minimise les temps d’arrêt.
4. Topologie maillée : Dans les environnements industriels qui nécessitent une redondance élevée et une connectivité sans fil, tels que les réseaux WirelessHART ou ISA100.11a, la topologie maillée permet à chaque nœud d’agir comme un répéteur. Cela garantit une couverture large et fiable, en particulier dans les zones difficiles d’accès.

Recommandations d’installation

1. La gestion des longueurs et le câblage :

• Longueur maximale et section de câble : les longueurs doivent rester dans les limites recommandées par le protocole (100 mètres sur Ethernet sans répéteurs et 1200 mètres sur Profibus). Utilisez des répéteurs ou des amplificateurs sur les réseaux de grande longueur et choisissez une section de câble appropriée pour éviter les chutes de tension.
• Pour les communications Modbus, il utilise un câble blindé à paires torsadées. Longueur maximale de 1200 mètres. Résistance de fin de ligne de 120 Ohms. Topologie en bus avec une distance maximale de 30 cm dans les dérivations. Éviter les configurations en étoile.

2.Protection contre les interférences électromagnétiques (EMI) :

• Blindage et mise à la terre : utilisez des câbles blindés et mettez-les à la terre à une seule extrémité pour éviter les boucles de terre. Cette précaution est particulièrement importante dans les environnements à fortes interférences électromagnétiques.
• Distance de séparation : éloignez les câbles de communication d’au moins 30 à 50 cm des câbles d’alimentation et des appareils générant des interférences électromagnétiques.
• Utilisation de ferrites : installez des ferrites à l’extrémité des câbles pour bloquer les interférences à haute fréquence dans les environnements industriels complexes.

3. Connecteurs et connexions :

• Connecteurs de haute qualité : utilisez des connecteurs de qualité industrielle avec des indices de protection IP65 ou IP67 pour les environnements exposés à la poussière, à l’humidité ou aux vibrations.
• Éviter les épissures : limiter les épissures dans le câblage pour réduire la perte de signal. Si nécessaire, utilisez des connecteurs spécifiques pour les bus de communication.
• Étiquetage et organisation des câbles : étiqueter clairement les câbles pour faciliter le diagnostic et la maintenance, en particulier dans les grands réseaux.

4. Protection contre les surtensions :

• Suppresseurs de surtension (SPD) : Installer des dispositifs de protection contre les surtensions dans le tableau de distribution et sur les équipements clés. Utiliser des dispositifs de protection contre les surtensions de type 1 pour la protection principale et de type 2 ou 3 dans les zones critiques.
• Filtre de surtension transitoire (TVS) : Utilise des diodes TVS dans les lignes de données sensibles et des déchargeurs à gaz dans les zones exposées à des pics de tension extrêmes, comme les installations extérieures ou les coups de foudre.
• Mise à la terre et blindage efficaces : assure une mise à la terre correcte de tous les dispositifs de protection et de blindage, permettant une décharge sûre des surtensions.

5. Redondance dans les réseaux critiques :

• Redondance en anneau : met en œuvre des configurations en anneau dans les réseaux Ethernet industriels avec des commutateurs qui permettent une commutation rapide (tels que RSTP ou ERPS).
• Configuration de dispositifs redondants : Pour les applications critiques, installez des dispositifs redondants aux points clés, afin que la communication ne soit pas interrompue en cas de défaillance.

6. Entretien et diagnostic :

• Dispositifs de surveillance en ligne : ils utilisent des analyseurs de réseau pour surveiller les paramètres critiques en temps réel et détecter les chutes de signal ou les erreurs de transmission.
• Points d’accès pour les tests : ajoute des points de test pour les diagnostics sans qu’il soit nécessaire de démonter les chemins de câbles, ce qui facilite la maintenance et le dépannage.

Conclusion :

Une bonne planification de votre réseau de communication en milieu industriel est essentielle pour garantir un bon service et un fonctionnement correct de l’ensemble, de la même manière que sont étudiés et définis les réseaux hydrauliques ou les réseaux électriques.

Dans pratiquement toutes les applications que nous rencontrons quotidiennement, il y a un bus de communication plus ou moins important, et il est de plus en plus important que celui-ci fonctionne de manière efficace et fiable, afin de garantir la supervision et de pouvoir faire face à d’éventuelles pannes ou à la maintenance qui peut être nécessaire.

Avec l’avènement des technologies sans fil telles que WirelessHART et ISA100.11a, les systèmes de communication industrielle devraient à l’avenir devenir de plus en plus flexibles, sûrs et faciles à installer. Ces protocoles permettent une topologie maillée, où chaque appareil peut agir comme un répéteur, ce qui étend la couverture et simplifie les installations. La technologie sans fil améliorera considérablement la connectivité des équipements, réduisant les coûts et le temps de déploiement dans les environnements difficiles d’accès ou dans lesquels les appareils sont mobiles. À mesure que les réseaux sans fil progresseront, la maintenance prédictive et la gestion à distance deviendront encore plus accessibles, ce qui favorisera l’efficacité et la connectivité dans l’industrie du futur.

Élaborée par: Manuel García Jiménez