Des voitures aux usines : Ethernet à paire unique et automatisation industrielle

La technologie Ethernet à paire unique (SPE) a peut-être gagné du terrain en permettant la mise en place de voitures connectées, mais elle est maintenant utilisée pour étendre les communications Ethernet industrielles aux appareils de terrain dans l’usine.

Alors que l’Ethernet standard utilise deux ou quatre paires de fils, SPE utilise une seule paire de fils torsadés.

Les premiers projets SPE, tels que IEEE 802.3bw pour 100 Mb/s (publié en 2015) et IEEE 802.3bp pour 1 Gb/s (publié en 2016), étaient axés sur le secteur automobile et son besoin de câblage Ethernet peu encombrant, léger et rentable pour transmettre les données des réseaux de capteurs sans fil dans les nouveaux véhicules.

Les récents projets de normalisation Ethernet à paire unique se sont concentrés sur les exigences industrielles, mais d’autres secteurs industriels ont des exigences différentes.  

Des progrès SPE lents mais constants

Alors que l’IEEE 802.3bp a été lancé en 2016 et comprenait un segment avec une portée allant jusqu’à 40 m pour soutenir les secteurs au-delà de l’automobile, telles que la fabrication et d’autres types de transport, les fabricants de puces ont continué à concentrer leurs efforts sur le secteur automobile puisque la demande y était la plus élevée.

Les environnements industriels n’étaient peut-être pas une priorité pour SPE à l’époque, mais les progrès se sont poursuivis.

Par exemple, IEEE 802.3cg pour 10 Mb/s a été publié en 2019, avec un segment blindé de 1 000 m (10BASE-T1L) pour le secteur de la transformation. (Il comprenait également un segment automobile non blindé de 15 m [10BASE-T1S].)

En définissant deux niveaux de signaux, 10BASE-T1L permet l’utilisation d’Ethernet dans des atmosphères potentiellement explosives, formant une base appropriée pour Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL), qui a été développé en 2021 spécifiquement pour les exigences du secteur de la transformation.

La combinaison de la longueur de segment de 1 000 m et de la largeur de bande de 10 Mb/s, ainsi que du schéma d’alimentation via la ligne de données définie par Ethernet-APL, permet de combler la distance entre les instruments (entre les capteurs et un point d’agrégation ou une salle de contrôle, par exemple) tout en transmettant des données avec une largeur de bande supérieure à celle des fieldbus traditionnels. Cela permet des fonctionnalités telles que la maintenance préventive.

Le projet IEEE 802.3dg 100 Mb/s en cours, qui devrait être achevé en 2025, est également motivé par des applications au-delà de l’automobile. Pour le secteur de la transformation, par exemple, un segment de 500 m avec 100 Mb/s est un bon complément à 10BASE-T1L pour les instruments avec des exigences de largeur de bande élevées.

Pour la fabrication, qui se concentre traditionnellement sur 100 Mb/s, un segment de 100 m serait suffisant pour fournir une alternative aux solutions Ethernet multi-paires existantes.

Différences entre les exigences réseau en matière d’automatisation industrielle

En plus des différentes gammes, les exigences des secteurs de la transformation et du transport diffèrent également d’une autre manière : la latence admissible.

La latence doit être faible, en particulier pour les applications de contrôle de mouvement dans la fabrication. Cette exigence a une influence sur la spécification essentielle de l’IEEE 802.3dg quant à savoir si FEC (forward error correction, soit la correction d’erreur directe) peut être fourni pour atteindre le taux d’erreur binaire requis tel que défini pour 10BASE-T1L.

FEC est nécessaire pour l’automatisation des processus, car une qualité de transmission suffisante ne peut être garantie sur une distance de 500 m en raison des interférences électromagnétiques. Cependant, il augmente la latence, donc il convient de l’éviter dans la fabrication. Ceci est possible en réduisant la distance à 100 m et en choisissant une méthode de codage appropriée.

On ne sait pas encore si FEC sera spécifié en tant que fonctionnalité facultative ou s’il y aura deux définitions de segment. Ce qui est certain, en revanche, c’est la diversification par secteur.

SPE dans le secteur de la transformation

Ethernet-APL permet le développement et l’accès au marché de dispositifs finaux, des instruments aux commutateurs. Les exigences en matière de câbles sont spécifiées pour les câbles nouveaux et existants via IEC 61156, avec des diamètres allant de 26 AWG à 14 AWG. Les câbles d’un diamètre compris entre 18 AWG et 14 AWG sont principalement destinés à la mise en œuvre du tronc (connexion des commutateurs de terrain APL aux commutateurs d’alimentation APL).

Ethernet-APL contient également des spécifications pour les connecteurs et les bornes de vis et de serrage. Les spécifications correspondantes peuvent être adoptées ou adaptées pour le segment 100 Mb/s de la norme IEEE 802.3dg.

SPE dans la fabrication hybride

Ethernet-APL allie les exigences de communication du secteur de la transformation et les défis posés par les environnements potentiellement explosifs.

Dans les environnements non dangereux, tels que la production d’aliments et de boissons, les exigences de sécurité intrinsèques ne s’appliquent pas. Par conséquent, PoDL (Power over Data Line) sous la forme spécifiée par IEEE 802.3cg (également appelé SPoE ou Single Pair Power over Ethernet) peut être utilisé.

En fonction de la consommation électrique de l’appareil connecté et de la classe SPoE, des diamètres de fil allant jusqu’à 16 AWG sont nécessaires pour les distances plus longues.

Le SPoE, selon IEEE 802.3cg, est directement applicable au segment 100 Mb/s de l’IEEE 802.3dg en raison de sa référence aux résistances de boucle maximales.

SPE dans la fabrication

Pour connecter les capteurs et les actionneurs, le segment 10 Mb/s de la norme IEEE 802.3cg représente une alternative à IO-Link.

C’est à vous de décider ce qui convient le mieux à votre application en comparant les avantages de SPE (portée Ethernet-capteur, largeur de bande, etc.) et IO-Link (câbles non blindés, coûts d’achat réduits, etc.).

Avec le segment 100 Mb/s de la norme IEEE 802.3dg, en supposant la réalisation d’une latence acceptable, SPE constitue une alternative à l’Ethernet multipaire dans l’Ethernet industriel.

Intégrer la technologie SPE dans les environnements industriels

Belden aide à connecter les environnements industriels à l’Ethernet à paire unique afin que les usines puissent bénéficier des avantages de l’automatisation qu’il offre.

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En savoir plus sur l’Ethernet à paire unique.

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