Employee checking a cifX PC card from Hilscher.
Hilscher – empowering communication

    Blog : Single Pair Ethernet – Déploiement et caractéristiques

    Partie 2 : voies de transition dans différentes industries

    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. L’examen de la base installée actuelle révèle une grande variété de bus de terrain (voir tableau ci-dessous) et de réseaux de capteurs sur le terrain.

    Bus de terrainVitesse de transmissionDistance maxi.
    Automatisation d'usine
    ASI125 kbit100m
    InterBus500 kBd à 2 Mbitjusqu'à 400 m.
    Profibus DP9,6 kBd à 12 Mbit/s.100 m à 1 200 m
    CANopen62,5 kBd à 1 Mbit30m à 1000m
    DeviceNet125 kBd à 500 kBd100 à 500m
    CompoNetjusqu'à 4 Mbit1 500 m (à 93 kBd)
    CC-Linkjusqu'à 10 Mbd100m
    IO-Link250 kBd20m
    Automatisation des procédés
    Profibus PA31,25 kBd1900m
    HART1,2 kBd1 500 à 3000m
    (selon câble)

    Distance et vitesses de transmission des technologies de bus de terrain actuelles dans les capteurs et les périphériques

    Le tableau présente différents bus de terrain utilisés dans l'automatisation des procédés et des usines. Aujourd’hui, les exigences en matière de vitesse et de distance sont très hétérogènes. Ce sont pourtant elles qui définissent les spécifications devant être prises en charge par les technologies à venir. Cerise sur le gâteau, les zones Ex du secteur de l'automatisation des procédés s’accompagnent d’exigences spécifiques en matière de sécurité intrinsèque. La connexion aux réseaux de couche supérieure dans les installations existantes présente donc un certain nombre d'inconvénients :

    • Nécessité de passerelles entre l’ancienne installation et les nouveaux réseaux Ethernet
    • Manque de capacités de diagnostic et de paramétrage dans certains cas
    • Limitation des performances en raison de la vitesse de transmission et du temps de cycle de certains réseaux actuels
    • Hausse des efforts de maintenance et d’assistance nécessaires pour maintenir en vie les anciens savoir-faire
    • Efforts d'installation nécessaires pour prendre en charge la configuration et l'outillage multi-fournisseurs
    • Augmentation des coûts et limitation de la disponibilité des entrepôts selon les scénarios potentiels de fin de vie

    Dans les faits, toutes les normes de bus de terrain énumérées ne sont pas aussi profondément affectées que celles de la liste ci-dessus. Certaines, comme IO-Link, sont simplement en phase d'adoption. Il est toutefois entendu que les appels à l'action et la pression du marché divergent en fonction des secteurs, selon l’importance de l’ancienne technologie dans les installations.

    Hilscher prévoit une adoption et un déploiement rapides du SPE dans le secteur de l'automatisation des procédés à partir de 2021. En effet, les installations sont principalement basées sur HART, PROFIBUS PA et des bus de terrain similaires, qui ne prennent pas nécessairement en charge les modèles économiques numériques requis. L'organisation Namur et plus particulièrement le groupe FieldComm, ainsi que PROFIBUS International (PI) et ODVA, encouragent fortement le passage à l'APL pour l'automatisation des procédés. Les applications dans ce domaine présentent généralement des exigences de performances et de temps de cycle plus faibles et le déploiement du diagnostic et du paramétrage via le réseau ne s'est pas encore démocratisé autant que dans les applications d'automatisation d’usine. D'un autre côté, le déploiement du SPE dans l'automatisation d’usine pourrait prendre un peu plus de temps. Des organisations telles que l'ODVA, PI et le groupe IO-Link ont lancé des activités visant à évaluer l'intégration du SPE dans leurs normes respectives, en étudiant son positionnement et les avantages pour leurs applications. En parallèle, deux groupes très actifs sont en voie de proposer différents connecteurs, prises et câblages pour l’installation. Compte tenu de toutes ces initiatives, particulièrement productives, et des nombreuses questions ouvertes auxquelles elles permettent de répondre, un déploiement sur le terrain dans le domaine de l’automatisation d’usine est envisageable vers 2024.

    En conclusion, nous estimons que dans les domaines de la fabrication où les informations d’état, de diagnostic et de paramétrage des équipements ne sont toujours pas transparentes pour les couches supérieures, les performances globales du système ne sont pas suffisantes, ce qui fait qu’il est impossible de concrétiser les avantages de la digitalisation (augmentation de la disponibilité des machines, maintenance prédictive, etc.). Par conséquent, la pression devrait être beaucoup plus forte dans l'industrie des procédés pour agir et aller de l'avant le plus rapidement possible.

     

    Le Single Pair Ethernet en un coup d’œil

    On pourrait se demander pourquoi les gens ne sont pas passés beaucoup plus tôt à une seule paire torsadée, car l'idée de base semble relativement simple et les avantages potentiels tout à fait évidents. Pourtant, la transition depuis un réseau Ethernet existant n'est pas aussi élémentaire que le simple remplacement d'un câble. En outre, différentes exigences s’appliquent pour permettre aux divers secteurs d’obtenir les avantages escomptés.

    Couche physique différente

    L'Ethernet industriel 10Base-T/100Base-TX actuel, qui est la norme la plus déployée et la mieux adaptée dans l'industrie, utilise deux câbles à paire torsadée pour transmettre et recevoir des données de manière unidirectionnelle. Au contraire, le Single Pair Ethernet émet et reçoit à l’aide de la même paire torsadée. Il lui faut donc une couche physique, un raccordement et des transducteurs différents.

    Les diverses exigences du SPE
    Transmission longue distance

    Pour relier les capteurs, actionneurs et autres périphériques de terrain de l'automatisation industrielle, les longueurs de câbles doivent être extrêmement importantes. La demande est donc très forte pour accroître la longueur des câbles entre les stations jusqu'à 1 000 m, contre 100 m aujourd’hui dans le 100Base-TX.

    Sécurité intrinsèque

    Un autre critère a été déterminé par l'automatisation des procédés. Outre l'exigence de longue distance, une transmission à sécurité intrinsèque est nécessaire pour prendre en charge les zones Ex et dangereuses.

    Transport d'électricité

    De nombreux bus de terrain utilisés pour la communication des capteurs autorisent le transport d'électricité sur le câble de communication. Le câble à paires torsadées doit donc également transporter l’électricité nécessaire pour permettre l'alimentation des capteurs et actionneurs distants.

    Demande de bande passante propre à l'application

    En complément des appareils et capteurs de terrain dont la demande de bande passante est parfaitement couverte par une vitesse de transmission de 10 Mbit, le but était de déployer le SPE dans des applications à bande passante plus élevée. L'IEEE a donc également défini des normes incluant les couches physiques et adaptées aux systèmes de vision, aux applications de mouvement ou aux IHM.

    Normalisation IEEE et applications connexes

    Toutes ces exigences et informations ont conduit à l’élaboration de plusieurs normes SPE par l’IEEE, en fonction des vitesses de transmission, comme indiqué dans le tableau suivant :

    Norme IEEENorme PHYVitesse de transmissionBande passante du câbleLongueur du câbleApplications
    IEEE802.3 cg10Base-T1L10 Mbit20 MHz1000m
    (STP)    		Capteurs, actionneurs et périphériques, systèmes de contrôle de machines, réseaux de trains et de bus, automatisation des bâtiments
    10Base-T1S10 Mbit20 MHz15 m (UTP)
    25m (STP)    		Installations en armoire (pas de PoDL) half-duplex
    APL10 Mbit 1000m
    (STP)    		Équipement à sécurité intrinsèque et Ex
    IEEE802.3 bw(BroadR Reach)100 Mbit166MHz15 m (UTP)
    40m (STP)    		Automobile
    IEEE802.3 bp 1 000 Mbit600MHz15 m (UTP)
    40m (STP)    		IHM, IPC, caméra, mouvement et robotique
    IEEE802.3 ch 2,5/5/10 Gbit4-5 GHz15 m (STP)Détection par vision, IPC, IHM, analyses, systèmes médicaux
    IEEE802.3 bu    Power over Dataline (PoDL) pour SPE, transmission de puissance maxi. de 60 W

    Aperçu des différentes normes relatives au SPE

    Le tableau « Aperçu des différentes normes relatives au SPE » présente trois définitions de la norme IEEE 802.3cg portant sur le Single Pair Ethernet 10 Mbit afin de refléter les besoins et demandes spécifiques des différentes applications de capteurs, actionneurs et périphériques. Le 10Base-T1L est celui qui répond le mieux aux exigences des capteurs, car il autorise une longueur de câble jusqu'à 1 000 m dans une connexion point à point et s'intègre très bien dans les installations réelles.

    En ce qui concerne la définition de la couche physique, l'APL est exactement identique au T1L, mais il ajoute dans certains cas les composants nécessaires pour des transmissions intrinsèquement sûres dans la zone Ex. Le 10Base-T1S autorise, contrairement au T1L, une configuration multipoint avec une longueur de câble beaucoup plus courte et une couche PHY différente appelée PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Le multipoint convient parfaitement, par exemple, aux installations en armoires ou à d'autres applications à courte portée. Les deux systèmes nécessitent une couche physique différente, comme l’indiquent l’image et le tableau suivants :

     

    10Base-T1S

    10Base-T1L

    Vitesse de transmission12,5 MBit7,5 MBit
     half-duplex multipointfull duplex
      suppression de l’écho
    Codage de ligneDMEPAM-3
    Codage de signal4B5B4B3T
    Tension1 Vpp1 Vpp (2,4 Vpp)

     

    PHY connection to upper layer host system

    Although the physical layer differs to some details, that connection to the upper layers is the same. The IEEE has taken effort to make sure that any actual system with a MAC and an MII connection can interface to the actual new PHY so that the major change remains in only one OSI layer. The following picture shows the set-up:

    System set-up of a point-to-point connection with power distribution

    On top of this, the 802.3bu standard has defined a standardized transmission of power over the data line and it is capable to transmit up to 50W to the single endpoint. This feature allows backward compatibility to several existing sensor network standards that also power the connected sensor from a central power controller. The set-up in SPE is as follows:

      Le système nécessite une source d'alimentation électrique (PSE) pour fournir de l'énergie sur le câble. Trois tensions différentes sont définies et connectées à une alimentation spécifiée. Côté récepteur, c’est-à-dire côté dispositif alimenté (PD), dans le cas ci-dessus un maximum de 50 W à 48 V peut être fourni dans une connexion point à point T1L. À 24 V, 10 W maximum peuvent être fournis avec un PSE régulé. Le système est largement compatible avec la topologie « trunk and spur » des réseaux d'automatisation de procédés.

      La standardisation du Single Pair Ethernet est bien adaptée aux exigences de l'automatisation industrielle. Puisque la technologie de couche physique est déjà utilisée sous une forme un peu différente dans l'industrie automobile, les utilisateurs industriels peuvent compter sur une technologie physique déjà éprouvée sur le terrain lorsqu'ils lancent leur implémentation. Il reste encore beaucoup à faire pour intégrer le SPE aux normes Ethernet actuelles, surtout dans le domaine de l'automatisation d’usine. Du point de vue de l'installation du système, un réseau IP intégré à chaque capteur permet de configurer et d’entretenir les capteurs sur le terrain à l'aide d'un environnement d'outils ne dépendant d’aucun fournisseur spécifique. Du point de vue de l'installation du système, un réseau IP intégré à chaque capteur permet de configurer et d’entretenir les capteurs sur le terrain à l'aide d'un environnement d'outils ne dépendant d’aucun fournisseur spécifique.

      Liens
      Livre blanc : Single Pair Ethernet - Accès cloud renforcé aux capteurs et périphériques

      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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      Employee checking a cifX PC card from Hilscher.
      Blog : Single Pair Ethernet – Adoption des systèmes dans différents scénarios

      Troisième partie de notre série de blogs sur le SPE : les réseaux d'automatisation d’usine sont déjà largement basés sur les normes Ethernet actuelles, mais l'adoption d'Ethernet dans le domaine de l'automatisation des procédés n’en est qu’à ses balbutiements. Quel est l’impact du SPE sur ces deux secteurs de l’industrie ?

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      Two Hilscher employees looking at a tablet
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