La technologie Ethernet-APL dans l'industrie 4.0

Introduction

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) est l'une des principales technologies de communication à l'origine de la transformation numérique des systèmes d'automatisation des processus.

Les technologies traditionnelles de bus de terrain industriel, telles que

• HART
• PROFIBUS PA
• Foundation Fieldbus

ont été conçues à l'origine pour les environnements de communication industrielle à faible bande passante. Bien que ces technologies aient fourni une communication de processus fiable pendant de nombreuses années, elles peinent de plus en plus à répondre aux exigences en matière de données des architectures modernes de l'industrie 4.0.

La véritable valeur de la technologie Ethernet-APL réside dans le fait que la communication Ethernet industrielle à grande vitesse permet.. :

• Accès aux données industrielles en temps réel
• Communication de terrain à large bande passante
• Intégration de dispositifs intelligents
• Diagnostics avancés
• Informatique de pointe
• Connectivité dans le nuage
• Communication sécurisée entre capteurs et contrôleurs

L'instrumentation industrielle moderne ne se limite plus à la transmission de simples variables de processus. Ethernet-APL transforme les appareils de terrain en nœuds de données industriels intelligents capables de prendre en charge des systèmes d'automatisation numériques avancés.

Ethernet-APL est l'une des pièces du puzzle d'un tel réseau convergent, prenant en charge divers protocoles en temps réel tels que PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP ainsi que le protocole middleware OPC UA.

1. Historique et développement de la technologie Ethernet-APL

Le développement de la technologie Ethernet-APL a été motivé par le besoin croissant d'introduire l'Ethernet industriel directement dans les environnements d'automatisation des processus dangereux.

Les technologies Ethernet traditionnelles se heurtent à plusieurs limites dans les industries de transformation, car l'infrastructure Ethernet standard n'a pas été conçue pour cela :

• Longues distances de câble
• Environnements à sécurité intrinsèque
• Instrumentation de terrain à deux fils
• Conditions industrielles difficiles

Avec l'évolution des architectures de l'industrie 4.0, les systèmes d'automatisation industrielle ont exigé beaucoup plus de données de la part des appareils de terrain que les systèmes de bus de terrain traditionnels ne pouvaient en fournir.

Pour remédier à ces limitations, le “Projet APL” a été mis en place en 2018.

L'accord visant à développer la technologie Ethernet-APL dans le cadre du “Projet APL” a été établi en 2018 et est soutenu par les principaux organismes de développement de normes (SDO) de l'industrie :

• Groupe FieldComm
• ODVA
• Fondation OPC
• PROFIBUS & PROFINET International

Le projet a également été soutenu par de grandes entreprises d'automatisation industrielle, notamment :

• ABB
• Emerson
• Endress+Hauser
• Krohne
• Pepperl+Fuchs
• Phoenix Contact
• R. Stahl
• Rockwell Automation
• Samson
• Siemens
• VEGA
• Yokogawa

Ethernet-APL a été spécialement conçu pour intégrer la capacité Ethernet dans l'instrumentation de terrain tout en conservant les mêmes caractéristiques :

• Sécurité intrinsèque
• Communication à longue distance
• Fonctionnement bifilaire
• Intégration de l'alimentation et de la communication

Aujourd'hui, l'Ethernet-APL devient l'une des principales technologies habilitantes de l'automatisation des processus numériques.

2. Principe technique de base d'Ethernet-APL

Ethernet-APL est basé sur la technologie Single Pair Ethernet (SPE) optimisée pour les environnements d'automatisation des processus.

La technologie permet :

• Fourniture d'énergie
• Communication Ethernet
• Transmission à longue distance

par l'intermédiaire d'un seul câble à deux fils.

Contrairement aux architectures Ethernet traditionnelles qui nécessitent plusieurs paires de fils et des distances de câble relativement courtes, Ethernet-APL est optimisé pour :

• Longs trajets de câbles industriels
• Zones dangereuses
• Installations à sécurité intrinsèque
• Instrumentation sur le terrain

La vitesse de communication de l'Ethernet-APL est de :

$10Mbit/s$

Ce débit de données représente un saut technologique majeur par rapport aux technologies traditionnelles de bus de terrain.

3. Pourquoi Ethernet-APL est une évolution technologique majeure

Les systèmes traditionnels de bus de terrain ont été principalement conçus pour transmettre les variables de base du processus, telles que

• Pression
• Température
• Niveau
• Débit

Cependant, les systèmes modernes de l'industrie 4.0 exigent de plus en plus :

• Diagnostics à haute résolution
• Surveillance de la santé des appareils
• Données de maintenance prédictive
• Analyse avancée
• Configuration à distance
• Surveillance des actifs en temps réel

Les technologies traditionnelles de bus de terrain à faible vitesse peinent à répondre à ces exigences avancées.

4. Ethernet-APL vs PROFIBUS PA et HART

Selon Toni Mertala dans :

ETHERNET APL -TEKNIIKAN KÄYTTÖÖNOTTO 800XA-JÄRJESTELMÄSSÄ JA PA-LAITTEIDEN INTEGROIMINEN-THESEUS

Ethernet APL:n connecté à 10 mbit/s sur une distance de 300 km et Profibus PA:n et HART:n connectés.

Du point de vue de l'automatisation des processus, il s'agit d'une avancée technologique majeure.

Les systèmes traditionnels HART et PROFIBUS PA n'ont jamais été conçus pour transmettre en continu de grandes quantités de données de diagnostic et d'exploitation.

La bande passante nettement plus élevée d'Ethernet-APL permet aux appareils de terrain de transmettre :

• Diagnostics avancés
• Informations sur l'état de l'appareil
• Analyse des processus
• Données relatives à la forme d'onde
• Informations sur la maintenance prédictive
• Mises à jour des mesures à haute fréquence

en temps réel.

La thèse précise en outre que

“Ethernet APL:n nopean tiedonsiirron ansiosta kenttälaitteilta saadaan entistä enemmän tietoa, jota voidaan hyödyntää.”

Cela reflète l'un des principaux avantages de la technologie Ethernet-APL :

L'instrumentation de terrain ne se limite plus à la simple transmission de mesures. Les appareils deviennent des sources d'informations industrielles intelligentes.

L'article précise également que

“La procédure d'évaluation des risques doit tenir compte du fait que le Profibus PA - qui est un système d'échange de données - ne peut être utilisé que pour des raisons de sécurité”.”

Cela met en évidence une limitation majeure des systèmes de bus de terrain traditionnels dans les environnements de l'industrie 4.0.

Enfin, la thèse se termine par une conclusion :

“La technologie Ethernet APL est plus efficace que la technologie Profibus PA, mais elle ne permet pas d'obtenir des résultats satisfaisants.”

Du point de vue de l'évolution technologique, Ethernet-APL représente la transition de :

• Communication traditionnelle sur le terrain
• Instrumentation à faible bande passante
• Réseaux de processus isolés

vers :

• Architectures Ethernet unifiées
• Installations numériques intelligentes
• Écosystèmes de données industrielles en temps réel

5. Prise en charge du protocole industriel en temps réel

L'un des principaux atouts d'Ethernet-APL est la capacité de convergence des protocoles.

Ethernet-APL prend en charge simultanément plusieurs protocoles de communication industrielle, notamment :

• PROFINET
• EtherNet/IP
• HART-IP
• OPC UA

Les usines de traitement peuvent ainsi mettre en place des infrastructures Ethernet industrielles unifiées capables de s'intégrer :

• Instruments de terrain
• Contrôleurs
• Systèmes SCADA
• Plateformes en nuage
• Dispositifs de bordure
• Systèmes de gestion des actifs

La prise en charge d'OPC UA est particulièrement importante car elle permet :

• Interopérabilité industrielle normalisée
• Échange de données sécurisé
• Intégration évolutive de l'IIoT
• Communication multiplateforme

6. Défis en matière de cybersécurité dans les réseaux Ethernet-APL

Comme l'Ethernet-APL connecte directement les appareils de terrain aux réseaux d'usine basés sur Ethernet, la cybersécurité devient de plus en plus importante.

D'après :

Niemann, Karl-Heinz, et Simon Merklin. 2022.
“Exigences de sécurité OT pour les appareils de terrain EthernetAPL : L'évolution technologique peut améliorer la protection”.”
atp Magazin 63 (5).

le document a montré que les appareils de terrain Ethernet-APL sont sujets à des attaques potentielles.

Le document indique que

“La structure plate du réseau offre aux attaquants un accès relativement facile aux appareils, puisqu'ils sont directement connectés au réseau de l'usine”.”

Contrairement aux systèmes de bus de terrain traditionnels isolés, les dispositifs Ethernet-APL fonctionnent au sein d'infrastructures Ethernet industrielles hautement connectées.

Cela accroît considérablement l'importance de :

• Segmentation du réseau
• Authentification
• Cryptage
• Protection de l'intégrité des dispositifs
• Protocoles de communication sécurisés

Exigences en matière de communication sécurisée

Le document explique en outre :

“C'est pourquoi des communications sécurisées seront nécessaires pour les dispositifs Ethernet-APL.”

et :

“Les exigences de sécurité pour les composants d'automatisation, telles que décrites dans la CEI 62443-4-2, s'appliquent également aux dispositifs APL.”

Cela signifie que les appareils de terrain Ethernet-APL doivent être traités de la même manière que les autres :

• Contrôleurs
• Systèmes d'E/S à distance
• Infrastructure de réseau industriel

plutôt que de simples instruments de terrain passifs.

Intégrité des données entre le capteur et le contrôleur

L'un des principaux avantages technologiques d'Ethernet-APL est la capacité de communication sécurisée de bout en bout.

Le document indique que

“En utilisant un protocole de communication sécurisé, il est possible pour la première fois de protéger l'intégrité et l'authenticité des valeurs du capteur au contrôleur, ce qui n'est actuellement pas possible avec HART ou PROFIBUS PA.”

Il s'agit d'une avancée majeure de l'industrie 4.0, car les valeurs de mesure des processus peuvent désormais être vérifiées en toute sécurité dans l'ensemble de l'architecture d'automatisation.

Ceci est de plus en plus important pour :

• Processus critiques pour la sécurité
• Fabrication de produits pharmaceutiques
• Production chimique
• Systèmes énergétiques
• Environnements de jumeaux numériques

Architecture de défense en profondeur

Le document recommande également

“un concept de défense en profondeur devrait être utilisé pour protéger la zone de l'usine contre les attaques venant de l'extérieur”.”

Les architectures modernes Ethernet-APL exigent de plus en plus :

• Pare-feu
• Passerelles sécurisées
• Segmentation VLAN
• Détection des intrusions
• Communication cryptée
• Authentification sécurisée des appareils

pour protéger les infrastructures d'automatisation industrielle.

Intégration de la sécurité du matériel

Le document recommande en outre que les fabricants

“réserver des ressources suffisantes dans leurs appareils (mémoire, puissance de calcul, éventuellement un élément sécurisé comme un Trusted Platform Module ou similaire)”.”

Cela reflète une évolution technologique majeure dans le domaine de l'instrumentation industrielle.

À l'avenir, les appareils de terrain devraient être de plus en plus intégrés :

• Modules de sécurité matérielle
• Modules de plate-forme de confiance (TPM)
• Architectures de démarrage sécurisé
• Processeurs cryptographiques intégrés

directement à l'intérieur des instruments industriels.

7. Comment Ethernet-APL améliore les fonctions de l'instrument

Ethernet-APL modifie fondamentalement les capacités des appareils industriels de terrain.

La communication à grande vitesse permet des diagnostics avancés

L'augmentation de la largeur de bande permet aux appareils de terrain de fournir :

• Diagnostic en temps réel
• Surveillance de la santé des appareils
• Analyse avancée de la forme d'onde
• Données de maintenance prédictive
• Analyses opérationnelles détaillées

La visibilité de l'usine et l'intelligence opérationnelle s'en trouvent considérablement améliorées.

L'architecture Ethernet unifiée simplifie l'intégration

Ethernet-APL permet aux appareils de terrain de s'intégrer directement dans les systèmes industriels basés sur Ethernet.

Cela simplifie les choses :

• Architecture du réseau végétal
• Intégration des données
• Accès à distance
• Connectivité dans le nuage
• Communication SCADA

Les données en temps réel améliorent la capacité d'automatisation

La communication à grande vitesse sur le terrain s'améliore :

• Réactivité du processus
• Précision de l'automatisation
• Optimisation en temps réel
• Contrôle avancé des processus

Cela permet de créer des systèmes d'automatisation industrielle plus intelligents.

8. Industrie 4.0 Évolution d'Ethernet-APL

Ethernet-APL est l'une des technologies fondamentales permettant les architectures d'automatisation des processus de l'industrie 4.0.

Les systèmes modernes Ethernet-APL prennent de plus en plus souvent en charge :

• Connectivité dans le nuage
• Informatique de pointe
• Analyse basée sur l'IA
• Maintenance prédictive
• Jumeaux numériques
• Surveillance à distance des installations
• Gestion intelligente des actifs

L'instrumentation de terrain évolue, passant de dispositifs de mesure isolés à des nœuds de réseaux industriels intelligents.

Intégration de la périphérie et de l'informatique en nuage

Ethernet-APL permet une intégration directe entre :

• Dispositifs de terrain
• Plates-formes d'informatique périphérique
• Systèmes d'analyse en nuage
• Applications industrielles de l'IA

L'accessibilité des données industrielles s'en trouve considérablement améliorée.

Intégration du jumeau numérique

Les systèmes modernes de jumeaux numériques exigent de plus en plus souvent :

• Données de l'appareil en temps réel
• Diagnostic continu
• Mises à jour fréquentes des processus

Ethernet-APL offre la largeur de bande et l'interopérabilité nécessaires pour prendre en charge ces architectures avancées.

9. Tendances futures du développement d'Ethernet-APL

Les futures technologies Ethernet-APL devraient évoluer vers :

• Une meilleure intégration de la cybersécurité
• Diagnostics de réseaux assistés par l'IA
• Gestion autonome des appareils
• Communication industrielle innovante
• Installations Ethernet entièrement convergentes
• Réseaux industriels définis par logiciel

Les futurs appareils industriels de terrain pourraient intégrer de plus en plus d'éléments :

• Processeurs d'IA intégrés
• Éléments matériels sécurisés
• Architectures d'autodiagnostic
• Algorithmes d'optimisation autonomes

Ethernet-APL devrait devenir l'une des principales infrastructures de communication pour les systèmes d'automatisation des processus de la prochaine génération.

Conclusion

La technologie Ethernet-APL représente l'une des avancées les plus importantes en matière de communication dans l'automatisation des processus modernes.

La véritable valeur d'Ethernet-APL réside dans la manière dont la communication Ethernet industrielle à haut débit transforme les instruments de terrain en dispositifs d'automatisation numérique intelligents capables de prendre en charge :

• Communication industrielle en temps réel
• Diagnostics avancés
• Transfert sécurisé de données entre le capteur et le contrôleur
• Intégration de l'industrie 4.0
• Connectivité dans le nuage
• Analyse pilotée par l'IA

Par rapport aux systèmes de bus de terrain traditionnels tels que HART et PROFIBUS PA, Ethernet-APL offre une largeur de bande de communication nettement plus élevée tout en permettant des architectures Ethernet industrielles sécurisées, évolutives et unifiées.

Alors que les technologies de l'industrie 4.0 continuent d'évoluer, l'Ethernet-APL devrait devenir l'une des principales technologies de communication à la base des systèmes intelligents d'automatisation des processus.