Ethernet à paire unique : alimenter l’automatisation des usines

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Dans les secteurs utilisant de nombreux actifs tels que l’industrie manufacturière, l’Internet industriel des objets (IIoT) assure une connexion entre les objets physiques et les systèmes numériques ailleurs dans l’entreprise. Dans l’environnement actuel axé sur les données, cela permet aux entreprises de mieux comprendre leurs propres opérations, ce qui conduit à l’innovation et à une prospérité continue. La connectivité IIoT offre une surveillance et une visibilité à distance et, lorsqu’elle est combinée à des technologies telles que le machine learning, elle peut débloquer des fonctionnalités plus avancées, telles que la maintenance prédictive ou des informations pour le développement de stratégies.

D’ailleurs, un document de Forrester sur le leadership éclairé commandé par Analog Devices contenait une enquête en ligne menée auprès de 312 hauts dirigeants du secteur manufacturier chargés de définir la stratégie de connectivité industrielle de leurs organisations. Il en ressort que la connectivité constitue le fondement des connaissances qui stimulent l’innovation. Il a également comparé les investissements technologiques auxquels les entreprises accordent actuellement la priorité : La figure 1 montre certains des résultats.

Comment les entreprises hiérarchisent leurs investissements technologiques (extrait du document sur le leadership éclairé de Forrester Consulting, « Seamless Connectivity Fuels Industrial Innovation », commandé par Analog Devices)

Figure 1 : Comment les entreprises hiérarchisent leurs investissements technologiques (extrait du document sur le leadership éclairé de Forrester Consulting, « Seamless Connectivity Fuels Industrial Innovation », commandé par Analog Devices)

Il est également intéressant de noter que, pour les entreprises de moyenne et de haute maturité, la connectivité filaire a une importance légèrement plus élevée que la 5G et le Wi-Fi. Cependant, le point clé est que, dans l’ensemble, la connectivité filaire est l’un des problèmes critiques pour ces entreprises. Mais comment est-elle mise en œuvre et comment cela va-t-il changer à l’avenir ?

Simon Seereiner, Head of Product Management SAI & IE chez Weidmüller, explique : Nous utilisons désormais la communication basée sur IP un peu partout : sur les smartphones et sur nos ordinateurs, mais aussi dans les installations industrielles. Au cours des 20 dernières années, nous avons vu de plus en plus d’architectures de communication basées sur Ethernet mises en œuvre dans des applications industrielles, telles que Profinet, Ethernet IP et Ethercat.

Tous ces systèmes sont des systèmes à bus de terrain basés sur Ethernet. Cependant, il existe un manque de cohérence jusqu’au dernier obstacle, c’est-à-dire au niveau capteur-actionneur. À ce niveau, nous utilisons encore des architectures de bus telles que Profibus, CAN et ASI. Ce problème s’aggrave avec l’infrastructure de l’industrie 4.0 basée sur l’IoT d’une entreprise. Cette dernière implique des volumes de données denses générés par chaque capteur sur chaque machine ou équipement de l’usine. Cela nécessite la conversion de plusieurs passerelles en communication basée sur Ethernet.

En revanche, l’approche actuelle consiste à établir une connectivité cohérente afin que la communication basée sur IP puisse être mise en œuvre même au niveau capteur-actionneur le plus bas. Cela apporte la promesse d’une solution réseau simplifiée et unifiée couvrant l’ensemble de l’infrastructure de l’usine, un concept qui n’était pas possible auparavant avec les réseaux Ethernet standards qui étaient trop coûteux et compliqués à utiliser dans ce contexte. Cependant, cet objectif est désormais atteint grâce à une version de plus en plus populaire du réseau Ethernet, appelée Ethernet à paire unique (SPE - Single Pair Ethernet). Bien qu’impulsé par l’industrie automobile, le SPE est également utile dans l’automatisation des usines, en remplaçant les capteurs analogiques ou les systèmes de bus industriels, surtout s’ils sont multiprotocoles.

Le SPE existe depuis environ 10 à 12 ans, mais les ingénieurs prennent conscience maintenant de ses avantages par rapport à l’Ethernet conventionnel qui nécessite au moins deux paires de fils à 100Mb et quatre paires de fils pour les câbles Gigabit. Avec la technologie SPE, une seule paire de fils est nécessaire pour les mêmes taux de transfert, ce qui signifie qu’un quart seulement de la quantité de cuivre est nécessaire, ainsi qu’un quart du temps de traitement. Cela permet non seulement d’économiser de l’espace, mais également d’énormes efforts d’installation et de l’argent.

Un autre avantage clé est que le câble SPE à paire unique peut transférer de l’énergie ainsi que des données. Celui-ci repose sur une technologie appelée Power over Data Line (PoDL) qui permet de délivrer jusqu’à 60W à une interface lors d’une transmission simultanée de données (100Mbit) sur des distances allant jusqu’à 1 000m. Les systèmes de capteurs, par exemple, peuvent ainsi être alimentés avec un seul câble à deux fils. En conséquence, de tels systèmes peuvent être installés facilement et à moindre coût dans des applications industrielles à haute densité, ce qui contribue à augmenter les niveaux d’automatisation et de mise en réseau tout en mettant en œuvre des processus avec un degré d’automatisation toujours plus élevé.

Examen plus approfondi des avantages du SPE

Nous avons vu ci-dessus que le SPE peut être un remplacement à technologie unique avec base IP pour les anciens systèmes basés sur des capteurs et des actionneurs connectés à un système Ethernet industriel via des liaisons de bus de terrain. Voici quelques façons dont le SPE surmonte les défis de l’approche plus traditionnelle :

Le premier avantage d’une seule paire torsadée réside dans des connecteurs mécaniques plus fiables. Au lieu d’avoir besoin de huit conducteurs différents pour transporter les signaux, seuls deux conducteurs sont utilisés et seulement deux contacts physiques sont nécessaires au fonctionnement du système. Cela permet également d’utiliser des connecteurs plus robustes qui nécessitent des liaisons mécaniques plus solides, tels que les connecteurs Mx qui peuvent fournir des connexions étanches à l’environnement.

Le deuxième avantage est la diminution significative de la taille des câbles. Cela permet d’augmenter la densité des câbles lors du routage des réseaux, permettant ainsi de connecter simultanément plus d’équipements (en posant davantage de câbles dans les mêmes goulottes de câbles). La taille réduite du câble réduit également le poids du câble, ce qui signifie une installation plus facile par rapport aux câbles plus épais et plus lourds. Cela permet également aux opérateurs de modifier plus facilement le réseau, car le câble est plus facile à déplacer et à manipuler.

Ensuite, il y a le coût : réduire le nombre de conducteurs dans un câble réduit son prix. Des câbles moins chers permettent des installations moins coûteuses, ce qui incite les installations industrielles à moderniser leurs réseaux.

Puisqu’un câble ne peut pas devenir plus simple qu’une simple paire torsadée, une telle installation de câble sera très probablement compatible avec les futures modifications du réseau.

Le quatrième avantage est une connectivité mécanique simplifiée. Bien qu’un tel câble puisse être équipé de connecteurs robustes et dédiés, l’utilisation de seulement deux fils permet au concepteur de choisir facilement le type de connexion qu’il souhaite. Si, par exemple, un système de capteurs nécessitant une alimentation et une connexion réseau était incroyablement petit, un installateur pourrait alors connecter une paire torsadée à l’aide de connexions directement soudées. À défaut, les borniers peuvent facilement être mis en œuvre. Un installateur peut également utiliser un système de sertissage de câble pour fixer son propre connecteur personnalisé adapté au matériel en question.

Normalisation du SPE

Ethernet est défini par un certain nombre de normes IEEE 802.3. Un sous-ensemble de celles-ci définit les options de SPE. Il s’agit des normes IEEE 802.3 1000Base-T1, IEEE 802.3 100Base-T1 et IEEE 802.3 10Base-T1. Les normes utilisent un câble à paire torsadée unique, Unshielded Twisted Single Pair (UTSP), catégorie 6A, avec des signaux différentiels transmis en duplex intégral.

Les signaux entre deux unités de commande électroniques SPE sont transmis simultanément dans les deux sens. Ils se chevauchent et s’étendent dans des directions opposées sur le câble SPE. Étant donné que les émetteurs-récepteurs respectifs connaissent leurs signaux d’émission, ils peuvent filtrer les signaux de réception.

L’interface 1000Base-T1 est basée sur BroadR-Reach et a été standardisée en tant qu’Ethernet à paire unique (SPE) par le groupe de travail IEEE 802.3bp. 1000Base-T1 correspond dans ses valeurs techniques à l’Ethernet classique. Ainsi, le format de trame et les longueurs de trame minimale et maximale sont conservés. Le taux d’erreur est de 10-1010-10 et le débit de données est de 1Gbit/s. La norme peut fonctionner avec des distances de négociation automatique et de pont allant jusqu’à 15m (1000Base-T1A) ou 45m (1000Base-T1B), comme c’est le cas dans les bus et les camions. En tant que méthode de modulation, 1000Base-T1 utilise la modulation d’amplitude d’impulsion multivaluée PAM3.

Le groupe de travail IEEE 802.3bu a normalisé une procédure pour 1000Base-T1 pour la transmission des tensions d’alimentation via le câble STP sous la désignation Power over Data Lines (PoDL).

ISO/IEC JTC 1/SC 25 WG 3 définit le câblage requis pour la norme et s’appuie à son tour sur les normes des composants pour les câbles et les connecteurs créées dans les groupes de normalisation de la CEI. Plusieurs normes ont déjà été publiées dans le cadre de l’introduction du SPE.

IEEE 802.3bp 1000 BASE-T1 « Spécifications de la couche physique et paramètres de gestion pour fonctionnement à 1Gb/s sur un câble en cuivre à paire torsadée unique » définit la transmission à paire unique au moyen d’un canal UTP de 15m (type A, non blindé) et d’un canal STP de 40m (type B, blindé). Les deux canaux sont spécifiés pour une bande passante de 600MHz, peuvent inclure jusqu’à quatre connecteurs et garantissent une capacité de transmission de 1Gbit/s.

Le déploiement à grande échelle et la commercialisation réussie du SPE dépendent de la compatibilité totale entre tous les équipements, câbles et connecteurs. Deux faces de connecteurs ont réussi à s’imposer lors de la sélection de normalisation internationale :

La face de connecteur selon la norme CEI 63171-1 pour les locaux de câblage : Elle est basée sur une suggestion de CommScope et connue sous le nom de variante 1 (style LC) pour les environnements M₁I₁C₁E₁.
La face de connecteur selon la norme CEI 61076-3-125 est recommandée pour l’industrie et les applications industrielles : Elle est basée sur une suggestion de Harting, spécialement conçue pour être utilisée dans des conditions environnementales allant jusqu’à M₃I₃C₃E₃, et est connue sous le nom de variante 2 (style industriel)

MICE décrit les conditions environnementales des installations et fournit aux planificateurs et aux utilisateurs de précieux conseils pour la spécification des équipements techniques et des systèmes de câblage. Il s’agit d’une description des exigences en matière de robustesse mécanique (M), de degré IPxx (I), de résistance chimique et climatique (C) et de sécurité électromagnétique (E). Au sens le plus large, M₁I₁C₁E₁ décrit le type d’environnement que l’on trouve dans un immeuble de bureaux, par exemple, et M₃I₃C₃E₃ un environnement plutôt extrême qui peut potentiellement se produire dans l’industrie ou en extérieur.

Sur la base de la face du connecteur définie dans la norme, Harting prépare un portefeuille de produits complet pour l’industrie. Les prototypes de cette face de connecteur ont été présentés pour la première fois il y a environ deux ans lors du salon SPS 2016, avec les deux autres connecteurs ix Industrial et M8 codés en D. Suite à la normalisation du ix Industrial de Harting, il s’agit désormais du deuxième connecteur à devenir une norme industrielle.

Figure 2 : Connecteurs SPE modulaires HARTING conformes à la norme CEI 63171-6

Spécification des principaux composants

Câbles : En fonction de la vitesse de transmission requise et de la longueur de liaison, deux types de base de câbles SPE sont disponibles et normalisés. Pour les réseaux 10Mb/s avec une longueur de câble allant jusqu’à 1 000 mètres, les normes suivantes précisent la conception du câble :

Câble de données conforme à CEI 61156-13-SPE, jusqu’à 20MHz de bande passante pour installation fixe
Câble de données conforme à CEI 61156-14-SPE, jusqu’à 20MHz de bande passante pour installation flexible

Pour les réseaux 1Gb/s jusqu’à 40 mètres, ces normes sont disponibles :

Câble de données conforme à CEI 61156-11-SPE, jusqu’à 600 MHz de bande passante pour installation fixe

Câble de données conforme à CEI 61156-12-SPE, jusqu’à 600MHz de bande passante pour installation flexible

Tous ces câbles sont blindés pour fournir la résistance de diaphonie nécessaire pour 1GBASE-T1 (40 mètres) et 10BASE-T1L (1 000 mètres), comme le montre la figure 2. Selon le cas d’utilisation, différents matériaux de gaine de câble sont possibles. La section de cuivre du câble doit être sélectionnée en fonction de la longueur de liaison nécessaire et des exigences de puissance sur la Power Over Data Line (PoDL). Les fils 26AWG et 22AWG sont généralement utilisés pour des longueurs de liaison allant jusqu’à 20 mètres et 40 mètres respectivement. Pour des liaisons plus longues allant jusqu’à 1 000 mètres, des câbles 16AWG ou 18AWG doivent être utilisés.

Figure 2 : Conception pour un câble SPE typique (1. fil de cuivre, 2. isolation de fil, 3. feuille de blindage, 4. tresse de blindage, 5. gaine de câble)

Pour atteindre un taux de transmission de 1 Gigabit par seconde sur une seule paire, les normes définissent des propriétés électriques élevées pour un câble SPE.

Celles-ci incluent les paramètres S de perte d’insertion (IL), de perte de retour (RL) et de diaphonie exogène (AXT) sur une plage de fréquences allant jusqu’à 600MHz.

Le blindage en feuille offre une efficacité de blindage élevée contre les champs électromagnétiques à haute fréquence. Le blindage tressé est utilisé pour la stabilisation mécanique et le blindage des champs électromagnétiques basse fréquence. L’effet d’une tresse dépend de l’épaisseur des fils individuels et du degré de couverture. Les câbles SPE destinés aux environnements industriels doivent offrir une couverture d’au moins 85 %. Le tressage d’un câble définit également principalement les valeurs de l’impédance de transfert d’un blindage de câble.

L’effet de blindage d’un câble fonctionne dans les deux sens, ce qui signifie que l’atténuation du blindage réduit à la fois le rayonnement des perturbations du signal du câble ainsi que les perturbations d’autres équipements agissant de l’extérieur sur le câble.

Connecteurs : Le SPE a besoin de types de connecteurs complètement nouveaux. Ces connecteurs sont plus petits que les connecteurs RJ45 classiques et offrent la même robustesse que les connecteurs à codage M12D et X de style industriel souvent utilisés. Cette nouvelle interface SPE est définie dans la norme CEI 63171-6 et comprend différentes versions M8/M12 pour les applications industrielles très difficiles et une interface IP20 pour les applications en armoire. Tous ces types de connecteurs sont basés sur les mêmes inserts de connecteur et utilisent un système de contact robuste à broches et à prises. Ce concept de conception modulaire avec des inserts de bornes identiques dans toutes les versions permet l’accouplement de fiches IP20 aux prises IP65/67 pour les tests ou la configuration.

Cette série de connecteurs SPE est spécifiée pour 60V DC/4A à 60°C et répond aux exigences de toutes les classes de Power Over Data Line (PoDL). Pour les environnements industriels difficiles avec de fortes perturbations de CEM, le connecteur est doté d’une coque de blindage à 360° pour assurer la connexion de blindage depuis le blindage du câble jusqu’au PCB avec quatre broches de blindage. Ces broches à souder par refusion traversante (THR) offrent également une connexion robuste entre les prises et le PCB. La conception de la face de contact du connecteur est symétrique et les contacts sont disposés en parallèle avec une longueur de contact identique. La technologie connectée compatible RF permet des transmissions de signaux jusqu’à 1000BASE T1.

Figure 3 : Différents connecteurs SPE recommandés selon CEI 63171-6

Topologies de filtrage : la MDI [Interface dépendante moyenne] forme la connexion entre le câble et le support physique, la puce PHY, qui génère des bits à partir des signaux de données et les transmet pour un traitement ultérieur.

Les composants passifs de la MDI remplissent diverses tâches telles que la transmission correcte des signaux de données, la suppression des interférences de signaux et l’isolation galvanique ou le transport de l’énergie électrique jusqu’à 60W dans le cas du Power Over Data Line (PoDL).

Pour garantir une communication de données sans erreur, des limites de perte de retour et de perte de conversion de mode ont été définies dans diverses normes IEEE 802.3. La figure 4 illustre les limites de la MDI pour 10BASE-T1 selon IEEE 802.3cg et pour 100BASE-T1 selon IEEE 802.3bw.

Figure 4 : Limites de perte de retour et de conversion de mode pour la MDI 10BASE-T1 (noir) et 100BASE-T1 (gris)

Exemples de composants SPE

La micropuce LAN8670/1/2^vi est un émetteur-récepteur PHY Ethernet à paire unique 10BASE-T1S hautes performances pour un réseau semi-duplex de 10Mbits/s sur une seule paire de conducteurs. L’utilisation de la technologie Ethernet standard dans les réseaux de capteurs/actionneurs réduit les coûts d’application en éliminant les passerelles nécessaires avec les technologies de réseau existantes. La possibilité de connecter plusieurs PHY sur un segment de mixage commun permet de diminuer davantage les coûts de mise en œuvre en réduisant le câblage et les ports de commutation. Le LAN8670 est conçu pour être utilisé dans les applications de capteurs/actionneurs industriels, de fond de panier et d’automatisation des bâtiments à haute fiabilité et sensibles aux coûts.

Notez que l’émetteur-récepteur a la pleine capacité 10BASE-T1S. IEEE 802.3cg 10BASE-T1S 10Mbps est un type légèrement différent d’Ethernet à paire unique. Non seulement il bénéficie de l’utilisation d’une seule paire de fils torsadés, mais il offre également une connectivité de topologie de bus, en plus du point à point commuté conventionnel. La connexion d’équipements sur un bus commun permet de diminuer davantage les coûts du système en réduisant le nombre de PHY et de câblage nécessaires dans le réseau. Jusqu’à 8 équipements (PHY) peuvent être pris en charge sur le bus partagé 10Mbps d’une longueur d’au moins 25m.

10BASE-T1S est également déterministe en évitant intrinsèquement les collisions des équipements essayant simultanément de transmettre sur le bus, grâce à une méthode connue sous le nom de PLCA (Physical Layer Collision Prevention).

Figure 5 : Architecture de 10BASE-T1S

L’ADIN1110 d’Analog Devices est un modèle 10BASE-T1L à port unique et à ultra-basse consommation conçu pour les applications Ethernet industrielles et conforme à la norme Ethernet IEEE® 802.3cg-2019™ pour une longue portée Ethernet à paire unique (SPE) 10Mbps. Doté d’une interface de contrôle d’accès au support (MAC) intégrée, il permet une connectivité directe avec une variété de contrôleurs hôtes via une interface périphérique en série (SPI) à 4 fils.

Cette SPI permet d’utiliser des processeurs à faible consommation d’énergie sans MAC intégré, ce qui permet la consommation d’énergie globale la plus faible au niveau du système. La SPI peut être configurée pour utiliser le protocole SPI Open Alliance ou un protocole SPI générique. Les niveaux de transmission programmables, les résistances de terminaison externes et les broches de réception et de transmission indépendantes rendent le dispositif adapté aux applications de sécurité intrinsèque. Elle est utilisée dans des applications telles que les instruments de terrain, l’automatisation des bâtiments et la sécurité incendie, l’automatisation des usines, les capteurs et actionneurs en périphérie, la surveillance des conditions et la connectivité des machines.

Figure 6 : Émetteur-récepteur 10BASE-T1L à port unique, ultra faible consommation, ADIN1110 d’Analog Devices

Parmi les transformateurs de signal Ethernet à paire unique de Würth Elektronik on trouve la très petite série WE-STST avec des transformateurs qui mesurent seulement 4,7mm x 3,22mm x 2,9mm (L x l x H). Ces dispositifs sont fabriqués par machine et offrent une tension d’isolement de 1,5 kV et une inductance en circuit ouvert (OCL) de 350µH conformément à la norme IEEE 802.3. Ils ont une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C. Les applications typiques des transformateurs WE-STST de Würth Elektronik incluent Ethernet 10/100/1000 Base-T, Ethernet 2,5/5G et 10G Base-T, Ethernet à paire unique, les capteurs à ultrasons et G.fast.

Le WE-STST fournit une solution discrète pour les conceptions Ethernet. Cela permet d’économiser plus de 50 % de l’espace sur les PCB par rapport aux solutions de transformateurs individuels utilisant des noyaux en anneau, tout en offrant la possibilité de taux de transmission élevés. Sa production automatisée innovante réduit les déviations électriques et augmente la fiabilité ainsi que la qualité.

Figure 7 : Petit transformateur Ethernet et LAN de Würth Elektronik

Les câbles de raccordement IP20 et IP67 de Weidmüller, également utilisés pour le couplage en champ libre, prennent en charge le Power over Data Line (PoDL). Ces câbles peuvent contribuer aux installations SPE, permettant une communication Ethernet uniforme du capteur vers le cloud. Ils peuvent être utilisés dans de nombreuses applications grâce à des portées allant jusqu’à 1 000m et des propriétés de transmission allant jusqu’à 1Gbit/s

La figure 8 ci-dessous montre un exemple d’un de ces câbles de raccordement, proposé avec la description : Prise conforme à CEI 63171-2, fiche SPE (CEI 63171-2) - IP20 femelle droite, fiche conforme à CEI 63171-2, fiche SPE (CEI 63171-2) - IP20 femelle droite, T1-B, PVC, 1m.

Figure 8 : Câble Ethernet 2725850010 WEIDMÜLLER, prise SPE vers prise SPE, STP (Paire torsadée blindée), noir, 1m, 3,3pi

La série industrielle T1 de connecteurs HARTING dispose d’une face d’accouplement normalisée au niveau international conforme à la norme CEI 63171-6. Ils peuvent être utilisés pour construire des réseaux de communication Ethernet à paire unique (SPE) évolutifs et standardisés avec un câblage standardisé conforme à ISO/CEI 11801 et TIA 42.

Conçus pour les applications industrielles avec des conditions environnementales jusqu’à M₃I₃C₃E₃ (voir « Normalisation du SPE » ci-dessus pour obtenir une définition de MICE), ils répondent à toutes les exigences IEEE 802.3 pour le SPE. Ils ont une conception industrielle robuste avec un blindage à 360°, une protection du levier de verrouillage et des cycles d’accouplement élevés.

Figure 9 : Prise SPE HARTING, 1 x 1 (port), 2P2C, IP20, montage traversant – fait partie de la série industrielle T1 de connecteurs HARTING

Un avenir sécurisé et coordonné pour l’Internet à paire unique

L’avenir du SPE est géré par le réseau de partenaires industriels SPE, qui fournit l’assurance de la qualité d’une infrastructure uniforme et coordonnée répondant aux normes établies. Les sept marques HARTING, TE Connectivity, HIROSE, Würth Elektronik, LEONI, Murrelektronik et Softing IT Networks forment les membres fondateurs du réseau de partenaires industriels SPE ^viii.

Ils se décrivent en disant : « Notre solide réseau de partenaires est unanime dans son soutien à l’interface industrielle T1 selon la norme CEI 63171-6 en tant qu’interface dépendant du support (MDI) uniforme telle que définie par ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 et TIA42 en 2018.

Pour garantir l’établissement fiable de l’ensemble du futur écosystème SPE, les normes relatives aux protocoles de transmission, au câblage et aux composants des équipements sont également prises en charge conjointement. Par conséquent, tous les membres du programme de partenariat, mais également ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3, entretiennent des échanges étroits et une coopération intensive avec IEEE 802.3 et CEI SC46C pour des normes de transmission et des câbles de données en cuivre uniformes. »