Bus de terrain Ethernet et IO-Link, un couple d'avenir?

Le 01/04/2014 à 14:00  

L'essentiel

Les réseaux de terrain basés sur Ethernet ont fait une entrée en force dans les machines-outils, les lignes de production, etc.

Il s'agit de répondre aux exigences de communication plus rapide, de quantité d'informations accrue, d'ouverture vers la supervision et les systèmes IT.

Les échanges d'information doivent aussi se faire jusqu'aux périphériques de terrain. Si le bus AS-i a toujours sa place pour le câblage, l'interface IO-Link a fait une entrée remarquée dans ces communications.

Cela fait bien un an et demi à deux ans que certains fabricants de capteurs mettent en avant l'interface de communication IO-Link, en fait chaque fois qu'une société présente un nouveau capteur de température, transmetteur de pression, cellule optoéletronique, détecteur d'objets… Et, au-delà des capteurs et détecteurs, on découvre vite que l'offre actuellement disponible sur le marché englobe également des terminaux de distribution, des entrées/sorties et bien d'autres périphériques. Même si l'on retrouve des modèles pour les procédés,ce sont avant tout des capteurs destinés aux applications manufacturières. Comment se fait-il qu'un standard apparu sur le marché il y a environ cinq ans ait une telle visibilité aujourd'hui? Même si d'aucuns sont plus critiques en parlant d'IO-Link, il n'empêche que le secteur a connu ces dernières années une évolution de fond avec l'apparition des réseaux de terrain basés sur Ethernet.Et qu'IO-Link s'inscrit parfaitement dans cette tendance au niveau des moyens de communication dans les machines. « Il y a encore cinq à dix ans, les deux principaux marchés étaient Profibus et DeviceNet.Mais depuis cette époque, ce sont les réseaux de type Profinet et Ethernet/IP qui ont pris la main dans les automates.Les manufacturiers recherchent des machines qui fonctionnent de plus en plus vite, à des vitesses tendant vers le temps réel », constate Didier Folin, responsable produits chez Türck Banner France. Par exemple, les protocoles de communication EtherCAT et PowerLink sont vraiment axés vers les applications de régulation et de contrôle de mouvement ( motion control ), les autres standards comme Profinet et EtherNet/IP étant plus généralistes.

La quantité de données échangée par des capteurs de vision, comme la plate-forme VeriSens de Baumer, impose de plus en plus l'utilisation de réseaux de terrain, et en particulier des bus basés sur Ethernet…

Baumer

« Pourquoi existe-t-il autant de protocoles de communication différents ? s'interroge Alain Labrosse, directeur de Baumer France. En fait, derrière chacune de ces dénominations, il y a un fabricant d'automates qui a développé un protocole pour connecter capteurs, actionneurs et autres périphériques.» C'est ainsi également que les différentes zones géographiques dans le monde voient la prédominance de tel ou tel autre réseau de terrain, selon la position de leader de tel ou tel autre fabricant. « Nous retrouvons Profinet,soutenu par Siemens,en Europe,EtherNet/ IP sur le marché américain grâce à Rockwell Automation et Omron, et CC-Link en Asie via Mitsubishi. La situation évolue toutefois puisqu'EtherNet/IP se développe aussi aujourd'hui en Europe », explique Frédéric Moulin, chef produits chez Festo France.

Dans les applications manufacturières, à savoir les machines-outils, les lignes de production, etc., l'échange des informations est au cœur de ces installations, seulement entre les périphériques de terrain et l'automate ainsi qu'entre la machine et les couches supérieures comme la supervision et le système MES. Pour relier tous ces composants, les réseaux de terrain basés sur Ethernet prennent aujourd'hui une place prépondérante.

Rockwell Automation

« Chaque industrie a par ailleurs ses propres standards, comme le secteur de l'automobile, des véhicules agricoles et des engins de chantier avec le CANopen », poursuit Alain Labrosse. Pour Patrick Brassier, responsable marketing Contrôle industriel chez Siemens France, « les communications de terrain pour les automates du manufacturier nécessitent des exigences de sécurité, en plus de ceux du temps réel, à savoir des temps de cycle déterministes.» . Ce que confirme notamment Didier Novat, responsable produits Systèmes de sécurité chez Sick France: « La sécurité via les réseaux de terrain est un secteur qui commence à être intéressant.» Et, depuis quelques années, Ethernet joue également un rôle important au niveau des couches supérieures pour la communication avec la supervision et les MES ( Manufacturing Execution Systems ).

Soutenir la quantité accrue d'information échangée

Pour garantir la disponibilité des fonctionnalités et les atouts d'une industrie connectée, l'Industrie 4.0 puisque c'est le concept à la mode, depuis la supervision et le MES jusqu'aux couches les plus basses d'un réseau de terrain, il semble évident qu'Ethernet doive s'étendre à travers l'ensemble de l'architecture. D'autant que, parallèlement à cette tendance, le nombre de points de mesures mis en place sur les lignes de production et dans les machines s'est encore accru. Et, depuis plusieurs années et avec les développements récents, il y a de plus en plus d'intelligence embarquée dans les capteurs. Ce sont les fameux smart sensors . Résultat : la quantité d'informations qui doit être remontée depuis le terrain a fortement augmenté, une situation où les réseaux de terrain basés sur Ethernet, avec notamment des performances supérieures aux traditionnels bus, ont trouvé un « terrain de jeu » idéal.

Mais, là où le bât blesse, ce sont sur les derniers mètres, en fait au niveau de la connexion des automates aux capteurs, actionneurs et autres périphériques de terrain. « Si toute la chaîne repose jusque-là sur Ethernet, pourquoi pas aussi les capteurs et les actionneurs ? Il est relativement aisé d'ajouter un connecteur de bus de terrain dans un moteur ou un actionneur. Mais la question se pose pour les capteurs parce que les notions de coût de revient et de fonctionnalités entrent alors en jeu », expliqueThierry Lecœur, responsable marketing «Electronique industrielle» chez Phoenix Contact France.

Pour Patrick Brassier (Siemens France), «vouloir doter un capteurTOR,dont le coût est de quelques dizaines d'euros seulement,d'une connectique Profibus ou Profinet revient à quadrupler le prix par rapport à une version avec une connectique AS-i.Dans le cas d'un variateur de vitesse, le surcoût est déjà intégré.» Et il ne faut pas non plus oublier un aspect très concret: «Les dimensions d'un connecteur Profibus sont dix fois plus grandes que celles de certains petits capteurs», ajoute David Ecobichon, responsable «produitsDétectiondeprésenceetInstrumentation industrielle» chez Sick France.

A l'instar des capteurs de distance DX35 de Sick, l'interface de communication IO-Link se démocratise dans les capteurs et les actionneurs. Certains fabricants la proposent même désormais en standard. Mais tous les industriels ne se sont pas encore convertis à cette interface relativement récente…

Sick

C'est pour pallier ces inconvénients, entre autres,que l'interface de communication IO-Link a vu le jour il y a environ une dizaine d'années pour simplifier la connectique et assurer les échanges d'informations entre les capteurs et actionneurs et les systèmes de contrôle-commande. « On parle souvent d'IO-Link comme d'un bus de terrain. Attention à la confusion ! lance Edil Alvarez, chef produits chez ifm electronic France. Le rôle d'IO-Link est de transporter une information d'un capteur ou d'un actionneur sur l'entrée d'un automate. C'est une communication point-à-point équivalente à une sortie 4-20 mA ou 0-10V.» Une sorte de «sortie analogique intelligente»… C'est d'ailleurs un élément que tous nos interlocuteurs ont d'emblée rappelé.

IO-Link pour les communications de bas niveaux

La spécification IO-Link, prise en charge par le consortium éponyme (IEC 61131-9), définit une connexion point-à-point d'un maître vers un esclave, selon une topologie de type étoile. Cela signifie que chaque maître peut ainsi être relié à plusieurs esclaves. Les données issues des capteurs et actionneurs sont transmises au maître de façon déterministe. Il faut toutefois attendre plusieurs cycles si l'on veut que l'ensemble des informations, y compris celles de diagnostic, lui parviennent. C'est ensuite le système de contrôle-commande qui interroge le maître pour obtenir les données nécessaires. On distingue quatre types de données numériques: les données de process et l'état des valeurs (données cycliques), les données sur l'appareil et les événements (données acycliques).

Dans la version 1.1 de la spécification IO-Link, il existe par ailleurs trois modes de communication, correspondant à trois vitesses de transmission des données: Com 1 à 4,8kBaud, Com 2 et Com 3 à respectivement 38,4 et 230,4kBaud. Précisons qu'une interface IO-Link se présente sous la forme d'un connecteur M12 à 3 fils, pour l'alimentation (0V sur la broche 3 et 24V sur la broche 1) et la ligne de commutation et de communication (broche 4). Les connecteurs de maîtres IO-Link peuvent utiliser deux fils supplémentaires.Tout est donc rassemblé sur un même et unique connecteur standardisé, via la modulation en fréquence du signal numérique sur celui analogique.

« Cette conception rend les capteurs IO-Link polyvalents : ils peuvent ainsi se connecter sur une entrée IO-Link ou sur une entrée TOR standard, sans toutefois disposer des fonctionnalités propres à IO-Link dans le deuxième cas », explique EdilAlvarez. En plus de la simplicité de mise en œuvre, les utilisateurs apprécient un autre intérêt, à savoir un coût moindre d'une solution IO-Link. « Par exemple, un maître IO-Link est beaucoup moins cher qu'une carte d'entrée réseau pour automate », indique Frédéric Moulin (Festo France). « Chaque référence matérielle dispose de son identification propre, à savoir un IODD [ IO Device Description , utilisable dans un outil FDT/DTM, comme PACTware, via un interpréteur ad hoc pour accéder aux informations, NDLR] » , poursuit Laurent Maréchal, responsable technique et projets RFID chez Balluff France.

L'un des atouts d'IO-Link est la très grande simplicité des opérations de paramétrage et, plus généralement, de mise en œuvre des capteurs. Non seulement ils n'ont plus besoin d'être paramétrés en local, mais aussi il est possible de charger en une fraction de seconde la configuration d'un capteur défectueux donné dans un nouveau, par exemple. C'est ce que permet la Memory Plug d'ifm electronic.

ifm electronic

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