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

Single Pair Ethernet (SPE) technology may have gained traction by enabling connected cars, but it’s now being used to extend Industrial Ethernet communications to field-level devices on the plant floor.

While standard Ethernet uses two or four pairs of wires, SPE uses a single twisted pair of wires.

Early SPE projects, such as IEEE 802.3bw for 100 Mb/s (published in 2015) and IEEE 802.3bp for 1 Gb/s (published in 2016), were focused on the automotive industry and its need for space-saving, lightweight and cost-effective Ethernet cabling to transmit data from wireless sensor networks in new vehicles.

Recent Single Pair Ethernet standardization projects have focused on industrial requirements, but there other industrial sectors have different requirements.  

Slow But Steady SPE Progress

While IEEE 802.3bp was released in 2016 and included a segment with a reach up to 40m to support industries beyond automotive, such as discrete manufacturing and other types of transportation, chip manufacturers continued to focus their efforts on the automotive industry since demand was the highest there.

Industrial environments may not have been top of mind for SPE at the time, but progress still continued.

For example, IEEE 802.3cg for 10 Mb/s was published in 2019, featuring a shielded 1,000 m segment (10BASE-T1L) for the process industry. (It also included an unshielded 15 m automotive segment [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 d'une longueur de segment de 1 000 m et d'une bande passante de 10 Mb/s, ainsi que du schéma d'alimentation via la ligne de données définie par Ethernet-APL, comble 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 bande passante plus élevée que les bus de terrain traditionnels. Cela permet des fonctionnalités telles que la maintenance préventive.

Le processus en cours IEEE 802.3dg 100 Mbit/s Le projet, qui devrait être achevé en 2025, est également porté par des applications au-delà du secteur 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 la norme IEEE 802.3dg quant à savoir si la correction d'erreur directe (FEC) peut être fournie 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 des appareils finaux— des instruments aux interrupteurs. 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. Des spécifications correspondantes peuvent être adoptées ou adaptées pour le segment 100 Mb/s à partir 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, le PoDL (Power over Data Line) sous la forme spécifiée par la norme IEEE 802.3cg (également appelé SPoE ou Single Pair Power over Ethernet) peut être utilisé.

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

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

SPE dans la fabrication

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

Il’ C'est à vous de décider lequel est le mieux adapté à votre application en comparant les avantages du SPE (portée Ethernet vers capteur, bande passante, etc.) et de l'IO-Link (câbles non blindés, coûts d'achat inférieurs, 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 de la avantages de l'automatisation Il offre.

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En savoir plus sur l’Ethernet à paire unique.

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