Les derniers développements en matière de communication des données Ethernet passent par les options étendues désormais disponibles avec les câbles à deux fils. Grâce à la technologie Ethernet à paire unique (SPE), les systèmes d’automatisation des bâtiments, les machines et les anciens réseaux industriels peuvent être migrés vers une technologie de réseau Ethernet unique. L’avantage principal est que l’alimentation et les données peuvent maintenant être transportées simultanément vers et depuis les périphériques à travers un seul câble.

En résumé pourquoi SPE ?

SPE étend les capacités de l’Internet des objets (IoT) et aide les entreprises à migrer plus rapidement vers des technologies d’exploitation basées sur Ethernet (Operation Technology - OT). Elle offre également des protocoles de communication communs compatibles avec le réseau informatique (IT) au sens large. Cette expansion comprend des solutions de bout en bout permettant de connecter ensemble des commutateurs, des câbles et des capteurs développés par de nombreux fournisseurs. Ces changements permettront d’harmoniser les opérations OT et IT sur le protocole actuellement le plus répandu et le plus efficace.

L’écosystème SPE

Un écosystème complet est en train d’émerger pour tirer pleinement parti des possibilités offertes par l’Ethernet monopaire dans les normes, les composants, les dispositifs finaux et les applications au niveau mondial. En 20 ans, Ethernet a gagné une grande part du marché industriel et est disponible dans un certain nombre de variantes, notamment Profinet, EtherNet / IP et EtherCAT.

Avec les protocoles IP complémentaires, la technologie Ethernet a progressé pour devenir une plateforme de communication de données dominante. Cependant, d’autres protocoles spécifiques dominent encore lorsque les exigences de l’application n’ont pas encore été satisfaites par Ethernet. Ce scénario, où plusieurs protocoles fonctionnent en parallèle, augmente les coûts et la complexité des environnements existants. De plus, dans un environnement multi-protocole, il faut du personnel d’installation et de maintenance expérimenté pour des environnements aussi variés, ce qui augmente les coûts.

L’intelligence artificielle (IA) et la numérisation optimise les capacités de production pour améliorer le rendement, ce qui favorise l’utilisation de processus basés sur les données et l’applications d’apprentissage automatique. Ces possibilités existent depuis un certain temps, cependant, la dynamique d’une technologie unique, rassemblant des topologies de systèmes entiers, offre un large éventail de possibilités.

À mesure que les systèmes et les dispositifs de production et industriels sont, de plus en plus, intégrés à l’informatique, les réseaux OT se sont développés en une combinaison d’Ethernet et d’anciens protocoles de bus de terrain. Une étude récente a révélé que les nœuds nouvellement installés en Ethernet industriel ont dépassé les bus de terrain traditionnels pour la première fois en 2018, et cette progression s’est poursuivie en 2019. L’Ethernet industriel poursuit sa croissance régulière de 20 % et représente désormais 59 % du marché mondial, soit une augmentation de 7 %. Dans le monde entier, Ethernet / IP est le plus grand réseau Ethernet industriel avec une part de marché de 15 %, suivi de près par Profinet avec 14 %. Par ailleurs, 2019 a été la première année où le nombre de nouveaux nœuds de bus de terrain a diminué, soit une baisse de -5%, contre une croissance de 6% en 2018.

Panduit et SPE ?

En tant qu’acteur mondial de solutions innovantes dans le domaine des infrastructures physiques et électriques, Panduit est un leader dans le développement de ces futures normes de communication. Bob Voss, ingénieur principal senior au sein du département Recherche et Développement de Panduit, préside le sous-comité Single-Pair Ethernet de l’Ethernet Alliance. Ce sous-comité qu’il préside est chargé de faire avancer le développement d’une feuille de route cohérente pour l’Ethernet BASE-T1 en tant qu’implémentation réseau préférée dans une infrastructure de réseau unique, qui intègre les réseaux industriels dans l’environnement Ethernet. Ce développement remplacera les anciens protocoles vulnérables par des réseaux IP robustes qui offrent des vitesses de données et des distances de transmission plus élevées, ainsi que des avantages en matière de sécurité des données et des réseaux.

Les avantages de SPE ?

Les capacités de SPE renforcent l’engagement en faveur d’une solution de réseau entièrement Ethernet. L’avantage pour l’utilisateur est que le réseau est plus facile à mettre en œuvre et à gérer. À l’avenir, le réseau à protocole unique garantira une plus grande transparence des données et augmentera la sécurité. La croissance de l’IoT et de la numérisation des processus industriels nécessitent un Système d’Information homogène dans l’entreprise et favorisent la convergence sur la plateforme Ethernet.

La norme IEEE 802.3cg-2019 originale à une paire a été adoptée au début de 2020. Dans le même temps, des puces d’appareil ont été introduites pour prendre en charge toutes les applications SPE dans l’automatisation des processus, ainsi que dans l’automatisation industrielle et du bâtiment.

Le nombre réduit de paires utilisées pour la communication permet de réduire la taille des câbles et des connecteurs, tandis que la technologie fournit à la fois l’alimentation et les données aux dispositifs de périphérie au sein d’une seule connexion. Le connecteur SPE IP20 conforme à la norme IEC 63171-1 Type 1 de Panduit est un module de petit format, dont l’encombrement est inférieur de moitié à celui d’une connexion RJ45 et qui possède un mécanisme de verrouillage positif pour des connexions sûres. L’alimentation intégrée en énergie et en données rend les batteries ou les blocs d’alimentation locaux redondants. Cela simplifie l’alimentation électrique tout en réduisant le temps d’installation et en optimisant la maintenance.

Par rapport à la terminaison d’un câble à 4 paires selon la norme TIA-568A / B, la terminaison d’un câble à 1 paire avec le connecteur LC sur site est plus rapide et plus facile. Avec des outils disponibles dans le commerce, un technicien peut installer un connecteur SPE sur le câble en deux fois moins de temps que pour une terminaison à 4 paires. En outre, on utilise des câbles à une paire de 18 AWG (environ 1 mm de diamètre par fil), qui sont plus légers et plus petits. La connexion du connecteur SPE est également moins sujette aux erreurs, ce qui minimise les reprises. Le poids plus faible et la taille plus petite signifient que plusieurs harnais peuvent être tirés ensemble, ce qui simplifie à nouveau la mise en œuvre.
L’avantage de transmettre en parallèle des données et de l’énergie à des appareils distants via SPE est énorme. La norme IEEE 802.3bu prévoit une alimentation décentralisée en courant continu via la connexion SPE, appelée Power-over-Data-Line ou PoDL. Ce dernier est comparable à la technologie Power-over-Ethernet (PoE) pour l’Ethernet standard, qui a déjà modifié de manière décisive l’alimentation électrique de l’infrastructure de communication de données dans les bâtiments.

Un autre avantage du SPE est que les câbles préexistants peuvent être réutilisés. Les machines et les systèmes qui ont été installés avec des topologies de câbles torsadés à une paire peuvent désormais être utilisés comme supports de câbles SPE. Par exemple, de nombreux câbles RS-485 utilisés ou installés de manière redondante ont une section de 18 AWG - une alternative utilisable pour le commutateur technologique. Ces câbles doivent bien sûr être testés pour s’assurer qu’ils sont conformes aux exigences et qu’ils respectent les performances électriques liées à la norme TIA-568.5 pour la transmission 10BASE-T1L.

Grâce aux avantages des réseaux Ethernet et IP, la consolidation dans les environnements SPE réduit également les coûts qui ne sont pas directement liés à la transmission des données. Les réseaux Ethernet sont plus rapides et offrent des technologies avancées telles que le Time Sensitive Networking (TSN) et le Software Defined Networking (SDN). Bien que l’Ethernet à 4 paires soit déjà bien établi et prenne en charge des niveaux plus élevés dans les réseaux industriels, il n’est pas rentable pour de nombreux appareils de périphérie plus petits. SPE est nettement plus rentable pour une mise en œuvre plus large des appareils IIoT sensibles aux coûts. Les systèmes qui utilisent actuellement la communication série RS-485 peuvent être mis à niveau avec des modifications mineures et intégrés au réseau Ethernet.

Rapide et facile à utiliser

SPE offre une bande passante accrue avec des débits de données plus élevés allant jusqu’à 10 Mbit/s sur des distances allant jusqu’à 1 000 m. Par rapport aux anciens protocoles basés sur RS-485 et offrant une vitesse de connexion de seulement 31,2 kBit/s pour les mêmes 1 000 m, la vitesse de transmission est 300 fois plus rapide.

La commodité, le coût et la fonctionnalité de SPE permettent un accès à faible coût pour la migration ou le déploiement progressif de SPE dans un environnement industriel. Cette technologie vise à étendre les capacités de collecte de données à un plus grand nombre de dispositifs périphériques pour lesquels l’accès rapide aux données était auparavant inabordable. Les connecteurs M8 de Panduit (Fig. 2) conformes à la classe MICE2/3 offrent un haut degré de protection IP67 contre la poussière et l’eau. Comme le codage des broches est identique à celui des systèmes de capteurs et de bus de terrain existants, le passage à Ethernet est grandement facilité.

Les premières applications de SPE comprennent

– Connexion de blocs d’E/S de patins et de machines au réseau Ethernet
– Connexion de dispositifs internes à la machine à un commutateur de réseau industriel interne à la machine ou cellulaire
– Connexion de capteurs et d’actionneurs de terrain à des commutateurs de réseau industriel via des canaux de liaison par câble point à point ou structurés, avec des longueurs pouvant atteindre 1 km (c’est-à-dire bien au-delà de la limite actuelle de 100 m)
– Connexion d’appareils de terrain avec des commutateurs à 2 canaux intégrés dans une chaîne en guirlande.
– Connexion de modules d’E/S distants entre eux, avec le commutateur réseau ou avec le contrôleur.
– Connexion d’appareils de panneaux de commande entre eux via un seul câble dans une topologie multipoints (10BASE-T1S).
SPE est la technologie clé pour les fabricants et les installations industrielles :
– Réseaux sans faille avec une grande transparence, du Cloud au périphérique
– Augmentation de la bande passante à la périphérie du réseau pour la mise en œuvre d’options de diagnostic étendues.
– Simplification des réseaux de périphérie en éliminant les passerelles de traduction de protocole.
– Transformation et simplification de l’infrastructure à courant continu pour les contrôles
– Amélioration de la cybersécurité en étendant les technologies de défense contre les attaques informatiques à la fabrication.
– Connexion de micro-dispositifs IoT miniaturisés
– Réduction du coût total de possession (TCO)

Conclusion

Le triomphe de l’Internet des objets (IoT) dépend fortement d’une technologie rentable associée à des capteurs à faible coût pour favoriser la cohérence et l’échelle. Les produits d’automatisation en vrac sont susceptibles de changer en premier, tandis que les équipements spécialisés dotés de protocoles plus anciens mettront plus de temps à être remplacés. Si les utilisateurs réalisent l’avantage concurrentiel disponible grâce à SPE, alors la mise en œuvre des dispositifs associés augmentera considérablement et la complexité du réseau sera réduite par la convergence sur Ethernet.