De A à Z : capteurs industriels et Ethernet à paire unique
L’Ethernet à paire unique (SPE) est en passe de devenir la base d’une usine intelligente entièrement automatisée.
Au cours d’une série de blogs, nous avons beaucoup parlé des réseaux Ethernet à paire unique et SPE :
- Identification des principales caractéristiques de la technologie SPE
- Explication de la façon dont l’adoption variera selon les segments du marché
- Description des avantages qu’il offre aux différents intervenants de l’automatisation industrielle
Il est maintenant temps d’explorer comment SPE peut compléter les réseaux Ethernet au niveau des capteurs/actionneurs, ainsi que les obstacles qui doivent être surmontés pour que les fabricants de composants actifs (commutateurs et routeurs) et de dispositifs finaux (capteurs et actionneurs) puissent élargir leurs portefeuilles SPE.
Calcul du coût total de possession pour SPE
Il y a quatre phases à prendre en compte tout au long du cycle de vie d’un réseau :
- Acquisition
- Mise en service (une distinction pourrait être faite ici entre l’installation du matériel et la configuration des logiciels)
- Exploitation
- Maintenance
Lorsque l’on compare les coûts de mise en œuvre d’un réseau SPE à ceux d'un réseau conventionnel basé sur un fieldbus ou des interfaces série, les coûts d’acquisition sont souvent les seules dépenses prises en compte. Les coûts et les avantages pour les phases ultérieures du cycle de vie, telles que la mise en service, l’exploitation et la maintenance, sont rarement inclus. Lors du calcul des coûts des appareils, les prix des émetteurs-récepteurs Ethernet et des circuits supplémentaires (magnétiques) sont souvent comparés aux prix des interfaces RS-485 ou RS-232 simples.
Cependant, pour déterminer le coût total réel de possession d’un réseau SPE, il est essentiel d’examiner plus en détail les quatre phases d’installation.
Probabilité d’adoption du SPE au niveau des capteurs/actionneurs
La réalisation d’analyses coût-avantage tout au long du cycle de vie du réseau permet de classer les capteurs en fonction de leur probabilité d’adoption du SPE.
Capteurs analogiques
Les capteurs analogiques dont les courants (p. ex., 4-20 mA) ou les tensions (p. ex., 0-10 V) sont proportionnels aux variables mesurées (pressions ou températures), convertis dans des modules d’E/S analogiques et intégrés dans des cadres Ethernet, sont rarement, voire jamais, équipés de SPE en raison du faible rapport coût-avantage offert par ce scénario.
Capteurs numériques simples
Des capteurs numériques simples, où la conversion de la variable mesurée en un signal numérique a lieu dans le capteur et est couplée à un réseau Ethernet via des modules d’E/S numériques, intégreront SPE dans une faible mesure. Cela permet aux capteurs de tirer parti de la mise en œuvre cohérente d’Ethernet. Le déplacement de l’émetteur-récepteur Ethernet du module d’E/S vers les capteurs est particulièrement utile pour les applications avec des capteurs peu nombreux ou séparés par de grandes distances.
Capteurs numériques intelligents
Les capteurs numériques intelligents connectés via fieldbus ou des interfaces série bénéficient de la largeur de bande plus élevée offerte par SPE. Ils bénéficient également des fonctionnalités de sécurité disponibles pour Ethernet. À cet égard, on peut s’attendre à un niveau significatif d’adoption de SPE pour les capteurs numériques intelligents.
Capteurs intelligents
Aujourd’hui, les capteurs intelligents nécessitant une largeur de bande élevée sont déjà connectés via des systèmes Ethernet. Considérez les caméras qui nécessitent une largeur de bande native comprise entre 1,6 Mb/s et 4,3 Mb/s (selon la qualité vidéo), avec un codec standard (H.264) à une résolution de 2 MP et une fréquence d’images de 20 f/s. Cette exigence de bande passante augmente lorsque des données vitales supplémentaires sont transmises, ce qui permet des services à valeur ajoutée, tels que la maintenance.
Cette exigence de bande passante augmente avec la transmission supplémentaire de données vitales, ce qui permet des services à valeur ajoutée. L’adoption de SPE est très probable dans cette catégorie de capteurs non seulement en raison de cette exigence, mais aussi (et surtout) en raison des longues portés de 10BASE-T1L et 100BASE-T1L (l’objectif de l’IEEE 802.3dg est de 100 Mb/s sur 500 m) et de l’alimentation à distance via PoDL/SPoE.
Obstacles à l’adoption des SPE du point de vue des fabricants de dispositifs
Pour répondre aux diverses exigences des différents marchés cibles pour la technologie SPE, les fabricants de dispositifs ont défini des normes avec différentes largeurs de bande, longueurs de câble et topologies pour la couche de transmission physique.
Il existe une variété de protocoles industriels utilisés pour les couches supérieures, ainsi que divers connecteurs qui complètent différents environnements industriels et leurs exigences pour des éléments tels que :
- Imperméabilité à la poussière et à l’humidité
- Résistance aux substances chimiques
- Robustesse contre les contraintes mécaniques et les interférences électromagnétiques (EMI)
En raison du nombre de combinaisons possibles en matière d’exigences, les fabricants de composants actifs d’infrastructure et de dispositifs finaux vont probablement contrer cette complexité en proposant des solutions qui ne s’appliquent qu’à certaines applications offrant un rapport coût/bénéfice économiquement viable.
Bien que cela puisse ralentir l’adoption globale des réseaux et de la technologie SPE, une normalisation précoce et l’établissement de normes industrielles communes sont des moyens possibles de surmonter ce problème.
Les constructeurs doivent également faire face au fait que des composants électroniques ont déjà été développés pour des applications automobiles. Leur mise en œuvre exige des efforts supplémentaires. Les commutateurs adaptés et les puces émettrices-réceptrices multiport (PHY) pour SPE proposés par les fabricants de semi-conducteurs en sont un exemple frappant.
Par exemple, il est actuellement nécessaire de connecter les commutateurs et les puces à port unique PHY à l’aide de RGMII, RMII ou MII, qui sont des interfaces indépendantes du support. Avec leur nombre élevé de signaux, ces interfaces, ainsi que l’utilisation de puces PHY à port unique, entraînent une plus grande complexité dans le routage des signaux sur le circuit imprimé et des besoins en espace accrus.
Alors que les interfaces modernes, telles que SGMII, nécessitent quatre signaux par port, 16 signaux sont nécessaires pour une interface MII et 8 signaux pour une interface RMII. De plus, des interfaces de gestion MDIO et MDC sont requises pour chaque puce PHY à port unique.
Les puces PHY multiport pour SPE avec des interfaces appropriées indépendantes du support, telles que SGMII ou QSGMII, ne sont actuellement pas disponibles. Spécifiquement pour 10BASE-T1L, ces interfaces, conçues pour un fonctionnement gigabit, ne représentent pas un domaine d’intérêt pour les fabricants de semi-conducteurs.
Mais le développement d'ASIC pour commutateurs est motivé par l’augmentation rapide des besoins en bande passante et, par conséquent, les interfaces MAC-PHY correspondantes avec des largeurs de bande de plusieurs gigabits sont optimisées.
L’incompatibilité d’interface doit être surmontée par des puces supplémentaires pour la conversion de protocole, ce qui rend le développement de commutateurs de terrain appropriés plus coûteux.
SPE va faire ses preuves
SPE apporte un potentiel d’innovation aux différents professionnels impliqués dans les quatre phases du cycle de vie d’une installation réseau. Cela se reflète également fortement dans les diverses activités de normalisation au sein de l’IEEE et des organisations d’utilisateurs.
Malgré la longue histoire de normalisation de l’IEEE, SPE est encore une technologie relativement jeune qui fera ses preuves principalement dans des capteurs plus complexes et intelligents avant d’atteindre des capteurs plus simplifiés. Avec la disponibilité croissante des composants et du matériel, SPE continuera à s’affirmer dans le sens des segments de capteurs les moins chers et à assurer l’harmonisation des composants du réseau.
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À propos de l'auteur
La passion de Michael Hilgner est de façonner la stratégie technologique d’une entreprise. Il aide Belden à déterminer la demande de nouvelles technologies à partir des feuilles de route des produits et à intégrer de nouvelles technologies dans le développement de produits. Expert des solutions de systèmes OT et IIoT, il contribue à la numérisation des produits et des processus. Il initie et entretient également des partenariats avec des universités et des instituts de recherche pour explorer de nouvelles technologies et améliorer leur niveau de maturité.
À propos de l'auteur
Cornelia Eitel travaille pour Hirschmann Automation and Control de Belden dans le domaine de l’Ethernet industriel depuis plus de deux décennies. Depuis 2012, elle fait partie du service de développement avancé de Belden en tant qu’architecte système senior, principalement dans le domaine du matériel. Elle soutient également la normalisation de l’Ethernet à paire unique IEEE 802.3.
À propos de l'auteur
Lukas Bechtel travaille chez Belden depuis 2012, passant d’ingénieur en automatisation des tests à architecte technologique dans notre bureau de direction technique. Il est également membre du corps professoral et chercheur à l’Université d’Esslingen, où il enseigne aux étudiants l’informatique, la sécurité des réseaux et les réseaux industriels, tout en étudiant des domaines tels que l’industrie 4.0, la communication sans fil et la communication et la sécurité industrielles.