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Blog : Single Pair Ethernet - Accès cloud renforcé aux capteurs et périphériques

Partie 1 : introduction au SPE

Le Single Pair Ethernet, nouvelle initiative visant à donner accès aux réseaux IP à chaque capteur, propose une réelle valeur ajoutée grâce à son câblage plus fin, à ses fiches et connecteurs plus compacts et à son encombrement réduit. Il convient donc de remplacer de nombreux bus de terrain associés aux capteurs et périphériques en intégrant les capteurs directement dans les systèmes informatiques et cloud.


En nous poussant radicalement hors de notre zone de confort, la pandémie de Covid-19 a imposé la digitalisation dans notre vie quotidienne comme aucun autre événement auparavant. Tout d’un coup, les outils et les méthodes partiellement utilisés dans le cadre professionnel, comme la visioconférence, les réunions en ligne et les formations à distance, sont devenus la norme. Si cette hausse soudaine de la demande d’écosystèmes et services numériques pourrait être qualifiée de révolution, la digitalisation du secteur de la fabrication a mis bien plus longtemps à exploser. Et encore, uniquement parce que plusieurs années d’activités gouvernementales ont permis de démontrer les avantages de différentes preuves de concept et de faire progresser les normes. Mais la volonté de disposer d'un mécanisme de communication capteur-à-cloud transparent, indispensable pour des modèles économiques incluant la maintenance prédictive, la qualité ou la robotique intelligente, se heurte encore à certaines lacunes au niveau de l’infrastructure réseau.

Le Single Pair Ethernet, nouvelle initiative visant à donner accès aux réseaux IP à chaque capteur, propose une réelle valeur ajoutée grâce à son câblage plus fin, à ses fiches et connecteurs plus compacts et à son encombrement réduit. Il convient donc de remplacer de nombreux bus de terrain associés aux capteurs et périphériques en intégrant les capteurs directement dans les systèmes informatiques et cloud.

Hilscher estime que l’adoption du SPE par l'industrie des procédés surviendra courant 2021. Les industries discrètes devraient suivre la cadence au plus tard en 2025, car l'infrastructure Ethernet et en particulier IO-Link résout déjà de nombreux défis associés à la digitalisation.

Du point de vue de Hilscher, il ne fait aucun doute que le SPE finira par être adopté et grignotera des parts de marché sur le long terme. Notre gamme de processeurs réseau netX offre la possibilité d'adopter facilement l'infrastructure SPE et de créer des passerelles de l'infrastructure réseau existante vers le SPE dans une optique de migration.

Cette série de blogs aborde l'état et l’évolution du Single Pair Ethernet du point de vue de Hilscher.

Progrès et avantages de la digitalisation

Même si l’on parle de quatrième révolution industrielle, il faut savoir que le secteur de la fabrication a entamé son parcours sur la voie de la digitalisation dès 2011. Les initiatives s’intitulaient alors « Plattform Industrie 4.0 », « Industrial Internet Consortium » ou « Made in China 2025 » et visaient à positionner et financer des programmes afin d’utiliser des méthodes et des techniques numériques. Le but : améliorer les performances générales des installations de production. Différentes sociétés de consulting internationales, analysant cette démarche, l’ont qualifiée de « révolution à un billion de dollars » (Accenture, 2015).

C’est ainsi qu’est né un « nouveau paradigme industriel » accompagné d’un « besoin d’améliorer l’intelligence des systèmes embarqués et de créer de la valeur par le biais de services intelligents ». Les facteurs clés de succès étaient « l’analyse avancée au service des actions de production prédictive et de la transparence des processus » (Capgemini, 2015). Une analyse de McKinsey, également parue en 2015 et basée sur des centaines d’entretiens avec des entreprises industrielles, a elle aussi conclu que « des technologies disruptives permettront la digitalisation du secteur de la fabrication » et énumère entre autres les technologies cloud, les analyses avancées, les interfaces graphiques tactiles et de nouvelle génération, la réalité virtuelle et augmentée, la robotique avancée et la fabrication additive. Sur la base des informations transmises par un certain nombre d'instituts de recherche, les facteurs de valeur présentés dans le graphique de droite ont été identifiés :

Les attentes semblaient par conséquent assez élevées et le potentiel immense, mais en dépit des nombreuses preuves de concept apportées, par exemple, par l'Industrial Internet Consortium, le défi consistait à déterminer comment faciliter la mise en réseau verticale de systèmes de production intelligents de l'atelier aux systèmes informatiques.

Aujourd’hui, après plusieurs années d’étude et de recherche, les besoins et les avantages de la digitalisation dans le secteur de la fabrication sont beaucoup plus clairs, précis et acceptés. Techniquement, l’OPC UA est devenu la norme courante qui résout le mieux la question sémantique de la verticalité entre l’univers IT et celui de l’OT. Du point de vue commercial, plusieurs organisations font avancer les choses en proposant des initiatives qui apportent une valeur ajoutée aux systèmes de production des différents secteurs, initiatives similaires à celles prévues en 2015. Chez Hilscher, nous mettons en place et pilotons des programmes et des modèles économiques dans le cadre de l’Open Industry 4.0 Alliance.

Nous soutenons l’idée d’un écosystème ouvert et partagé afin d’offrir de la valeur au client en collaboration avec un vaste réseau de partenaires, grâce à nos produits et services netFIELD. La connexion des services cloud au niveau du capteur reste toutefois une difficulté que le Single Pair Ethernet pourrait peut-être résoudre.

Réseaux industriels

Dès le début des années 2000 et parallèlement à ces initiatives de digitalisation, l'industrie a adopté l’Ethernet industriel comme norme de communication dominante dans tous les secteurs, remplaçant progressivement les anciens systèmes de bus de terrain tels que PROFIBUS, Interbus, CC-Link, Sercos ou DeviceNet. Plusieurs variantes d'Ethernet ont été standardisées afin de répondre à la demande d’une bande passante plus élevée et d’une communication déterministe en temps réel, obligatoires dans les secteurs ayant un lien avec l'automatisation d’usine comme l'automobile, l'emballage ou l'agroalimentaire.

Différentes normes Ethernet sont dictées par différentes sociétés d'automatisation et présentent différents niveaux de demande de modification des couches OSI MAC et liaison afin de prendre en charge la demande en temps réel. Certains protocoles sont basés sur le système Ethernet TCP/IP classique, d'autres modifient les couches 3 et 4, d'autres encore ont besoin d’un matériel modifié pour la couche liaison de données. Le dernier ensemble de normes Ethernet temps réel, le Time-Sensitive Networking (TSN), en est à ses dernières phases de publication par l'IEEE. Il vise à normaliser les fonctions temps réel sur les couches 1, 2 et 3 pour une base matérielle commune. Toutes les variantes d’Ethernet partagent la capacité à mettre en réseau l'usine des bureaux à l'atelier, et améliorent les performances globales de production, le diagnostic et la disponibilité. Cependant, la complexité d'Ethernet et de la topologie du réseau (chaîne, commuté, etc.) limitait son utilisation dans des périphériques comme les capteurs et les actionneurs. C'est cette lacune en matière d’infrastructure de réseau IP Ethernet que les efforts de normalisation du Single Pair Ethernet (SPE) tentent de combler.

La standardisation d’Ethernet sur la base d’une seule paire torsadée trouve ses origines dans l'industrie automobile. Les normes existantes (CAN, MOST ou FlexRay, par exemple) étaient trop coûteuses en câblage et en logiciels pour les réseaux embarqués des véhicules. C’est pourquoi Ethernet a été sélectionné en tant que norme commune destinée à les remplacer progressivement. Les efforts de câblage associés à l’Ethernet standard étaient cependant tout aussi importants. Broadcom a fait un premier pas avec BroadR Reach, démontrant qu'un simple câble à paire torsadée suffit à transmettre des données à haut débit sur des distances plus courtes. L'IEEE a repris l'initiative de normalisation dans le cadre de la norme Ethernet 802.3, élargissant le champ d'application au secteur industriel et au bâtiment, confrontés à des défis similaires. En fait, tous les bus de terrain mentionnés ci-dessus dans le domaine industriel sont concernés, de même que LON, BACnet ou Modbus dans l’immotique, par la volonté de mettre en place un réseau IP atteignant chaque capteur.

L'intégration verticale des capteurs au cloud constituant l’un des principaux piliers des modèles économiques numériques, les avantages d’une extension des réseaux IP aux capteurs sont intéressants :

  • Amélioration de la visibilité, du diagnostic et du contrôle
  • Accès à tous les équipements d'automatisation via une seule sémantique avec OPC UA
  • Outillage commun ne dépendant d’aucun fournisseur
  • Amélioration de la robustesse et de la disponibilité
  • Facilitation de la qualité et de la maintenance prédictives

La valeur ajoutée du Single Pair Ethernet réside dans son câblage plus fin, ses fiches et connecteurs plus compacts et son encombrement réduit. Il convient donc de remplacer de nombreux bus de terrain associés aux capteurs et périphériques. L’une des questions clés qui se pose est toutefois la suivante : comment déployer cette technologie dans les différents domaines de l'automatisation ?

Références

Accenture (2015), Purdy, Davarzani, « The Growth Game-Changer: How the Industrial Internet of Things can drive progress and prosperity »

CapGemini (2015), Bechtold, Kern, Lauenstein, Bernhofer, « Industry 4.0 - The Capgemini Consulting View - Sharpening the Picture beyond the Hype »

Liens

Pour en savoir plus sur le SPE, consultez le livre blanc de Niels Trapp ! Cliquez sur le lien pour le télécharger.

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Deuxième partie de notre série de blogs sur le SPE : si l'idée consistant à mettre en place des réseaux IP jusqu'au niveau des capteurs est évidemment bénéfique, toute la question est de savoir comment déployer le SPE dans les appareils et installations ciblés.

Pour en savoir plus, lisez l'article !

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