Connectivité industrielle avec Ethernet à paire unique

Dans un monde de plus en plus tributaire des communications sans fil, le monde câblé semble plutôt dépassé. Cependant, dans l'IoT industriel (IIoT), les câbles sont toujours la norme. Plusieurs raisons justifient le maintien de la connectivité filaire dans un environnement industriel, notamment les interférences RF, les bandes radio encombrées, les exigences en matière de licence et la simplicité de la réactivité.

Traditionnellement, les applications industrielles ont été la cible d'anciennes technologies de bus de terrain telles que Profibus, Modbus, CAN et autres. Ces technologies sont généralement basées sur un câblage à paires torsadées et sont généralement au niveau de performance de 1 Mbps ou moins. Dans le monde industriel, le coût est tout. Ainsi, le câblage des capteurs et des actionneurs doit être peu coûteux et avoir une longue durée de vie. Par conséquent, le câblage à paire torsadée unique est la norme.

Néanmoins, nous assistons à l'expansion de la quatrième révolution industrielle autrement connue sous le nom d'Industrie 4.0 (I4). I4 se caractérise par l'utilisation de communications machine à machine (M2M) à grande échelle et le déploiement de l'Internet des objets (IoT) pour une automatisation accrue. L'objectif de cette tendance est le déploiement d'appareils intelligents capables de fonctionner, d'analyser des données et d'agir sans intervention humaine. La clé du succès d'I4 repose sur la connectivité et les performances avec un minimum de traductions intermédiaires des signaux qui pourraient introduire de la latence. De plus, l'élément IoT se concentre souvent sur la capacité de communiquer de manière transparente les données du capteur jusqu'au cloud. Dans notre monde actuel, cela implique l'utilisation de la pile de protocoles IP.

Malheureusement, aucune des technologies de bus de terrain traditionnelles ne transmet généralement les trames IP. Cela signifie qu'il existe un besoin pour des boîtes de traduction qui traduisent des trames Profibus ou CAN vers IP et vice versa. Cela introduit une latence et augmente les coûts. Et, comme la plupart de ces technologies de bus de terrain sont relativement lentes par rapport aux communications modernes telles que le Wi-Fi ou la 5G cellulaire, une nouvelle approche est nécessaire pour prendre en charge les exigences croissantes en matière de communication d'I4.

Tirer parti des progrès de l'automobile

Dans le monde automobile, nous assistons à une explosion de la quantité de données nécessaires aux capteurs présents dans les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS). Comme les applications industrielles traditionnelles, les applications automobiles se sont appuyées sur des technologies de bus de terrain telles que CAN pour les communications entre l'unité de commande électronique (ECU) et les capteurs/actionneurs tels que les freins antiblocage, les contrôles des émissions, etc. Cependant, les limites de débit de 1 Mbps pour CAN ou même les débits de données améliorés pour CAN-FD (jusqu'à 5 Mbps) ne sont pas suffisants pour les multiples flux de caméras, radars et lidar du véhicule moderne équipé d'ADAS. Ce dont les applications automobiles ont besoin, c'est d'une capacité de mise en réseau fiable et à haut débit qui raccourcit le délai de mise sur le marché de nouvelles fonctionnalités tout en réduisant le poids. De plus, la capacité à prendre en charge l'IP dans le véhicule faciliterait le développement de logiciels et minimiserait le besoin de convertisseurs de protocole.

Si nous prenons une page du monde des technologies de l'information, nous verrions qu'Ethernet est une technologie très dominante, même à la lumière des protocoles sans fil. Ethernet est l'épine dorsale qui offre des performances garanties à des débits de données allant jusqu'à 400 Gbit/s au sein de l'infrastructure cloud. Cependant, l'Ethernet traditionnel utilise généralement un câblage à deux ou quatre paires ou une fibre optique. Comparé au bus CAN à une paire, le câblage Ethernet traditionnel est plus cher, plus lourd (dans le cas d'un câblage à deux ou quatre paires) ou moins robuste (dans le cas de la fibre optique). Ainsi, un Ethernet à paire unique capable de gérer des débits de données de l'ordre de 1 Gbit/s serait idéal. Entrez xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE).

Standardiser SPE

Le groupe de travail IEEE 802.3 est responsable des normes associées à Ethernet. Normalisé à l'origine en 1983, Ethernet sous ses nombreuses formes a éclipsé les technologies concurrentes, notamment ARCNET, FDDI et Token Ring. Basé à l'origine sur un câble coaxial, Ethernet a évolué vers l'utilisation de câbles à paires torsadées blindés et non blindés et, au début des années 1990, le connecteur RJ45 (8P8C) omniprésent est devenu un équipement courant sur de nombreux appareils informatiques en informatique.

L'implémentation 10BASE-T d'origine reposait sur deux paires de fils avec une paire différentielle utilisée pour la transmission et une paire différentielle utilisée pour la réception. Limitée à 10 Mbits/s, cette norme était beaucoup plus rapide que l'approche coaxiale d'origine, mais utilisait une topologie en étoile plutôt que la topologie en bus de la solution coaxiale. Cette approche câblée en étoile imposait l'utilisation d'un concentrateur centralisé appelé commutateur Ethernet qui pouvait gérer le mouvement des données entre les appareils connectés aux ports du commutateur. Cette même solution de câble à deux paires a été poursuivie avec l'introduction de Fast Ethernet, autrement connu sous le nom de 100BASET, qui prend en charge des débits de données jusqu'à 100 Mbits/sec. Avec l'introduction du Gigabit Ethernet (1000BASE-T), le nombre de paires de fils a doublé pour atteindre quatre et les débits de données ont bondi d'un ordre de grandeur.

En plus des changements dans les débits de données, une technique connue sous le nom de Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) a introduit plusieurs moyens alternatifs pour fournir de l'énergie sur le même câble Ethernet que les données. Prenant en charge la fourniture de jusqu'à 25,5 W à 48 VDC, PoE a permis d'alimenter des appareils distants tels que des caméras de surveillance et des points d'accès sans fil. Une version ultérieure est connue sous le nom de Power over Data Lines (PoDL - IEEE 802.3bu-2016), qui permet de fournir jusqu'à 50 W à 12, 24 ou 48 VDC. PoDL a été développé spécifiquement pour le marché des SPE xBASE-T1 et permet de fournir à la fois les données et l'alimentation via une seule paire de fils.

Les normes xBASE-T1 peuvent être subdivisées en 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) et 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). Le tableau suivant résume les principales fonctionnalités de ces variantes :

Le « L » dans le 10BASE-T1L signifie « longue portée » en raison de sa longueur de 1 km (de nombreuses implémentations peuvent en fait dépasser 1 km selon la qualité du câble et les types de connecteurs). L'un des nombreux avantages de la spécification SPE est qu'elle peut utiliser les câbles de bus de terrain à paire torsadée existants. C'est une énorme économie pour les applications industrielles. Et, avec l'ajout de PoDL, l'appareil distant peut prendre en charge les communications et être alimenté sur le même segment de câble. Autre avantage, le débit de données de 10 Mbit/s est nettement plus rapide que les implémentations de bus de terrain qu'il est censé remplacer.

Alors que la variante T1L est destinée aux applications point à point, il existe également une variante "courte portée" (10BASE-T1S) qui est câblée comme une implémentation multipoint pour remplacer les versions de bus de terrain courantes telles que la boucle de courant 20 mA et CAN . La portée des saveurs T1S est considérablement réduite à 25 m. Mais, l'utilisation du multipoint permet un seul câble avec une seule interface de port pour l'accès multimédia PHY.

Afin de prendre en charge l'accès multipoint et d'éviter les conflits potentiels sur le câble, il existe deux approches. La première utilise Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) qui rappelle les implémentations Ethernet originales des années 1980. Dans cette approche, chaque station écoute d'abord le trafic sur le bus avant de transmettre. Dans le cas où plusieurs stations tentent de transmettre en même temps, la collision est détectée, chaque station arrête de transmettre, attend un court laps de temps aléatoire, puis le processus se répète en écoutant un bus inactif et en essayant à nouveau la transmission. Il s'agit d'une approche simple, mais elle ajoute un élément stochastique aux communications, ce qui introduira une latence.

Si l'application est particulièrement sensible à la latence, un autre mécanisme d'évitement de collision de couche physique (PLCA) peut être ajouté au CSMA/CD, où une station est désignée comme maître, qui envoie une balise qui permet uniquement à la station désignée dans la balise de transmet (un peu comme une implémentation en anneau à jeton). Cela facilite la détermination en fournissant un créneau désigné pour chaque station et en évitant le risque de collisions lorsque le nombre de stations augmente jusqu'au maximum de 31 stations. Il convient de noter que PoDL n'est pas encore défini pour une utilisation dans des applications multipoints.

Ethernet est Ethernet

L'un des avantages significatifs de SPE est qu'en dernière analyse, il s'agit d'Ethernet. Ainsi, en ce qui concerne les piles de protocoles, SPE est comme tous les autres segments Ethernet. Cela signifie que vous pouvez facilement utiliser les protocoles IPv4/IPv6 en plus de l'implémentation SPE. Il s'agit d'un énorme gain de temps de développement logiciel, car les équipes logicielles peuvent utiliser des API standard basées sur IP pour les communications. Il n'y a aucune exigence de conversion de protocole de l'une des variantes de bus de terrain vers IP et inversement, ce qui réduit la latence et élimine le coût du dispositif de conversion de protocole.

La détection automatique de la vitesse dans le commutateur SPE est également une possibilité, tout comme le commutateur Ethernet à quatre paires typique. Par conséquent, un commutateur peut gérer les segments 10BASE-T1, 100BASE-T1 et 1000 BASE-T1, ainsi que prendre en charge des interfaces Ethernet à deux ou quatre paires plus traditionnelles pour le débogage ou l'interfaçage avec du matériel informatique traditionnel tel que des panel PC. Le commutateur peut également prendre en charge PoDL pour alimenter des appareils distants si nécessaire.

Afin d'éviter de mélanger par inadvertance les segments SPE et Ethernet traditionnels, SPE utilise le connecteur CEI 63171-6. Ce connecteur est un standard ouvert et est disponible en versions IP20 et IP65/67. Les fabricants fournissent le connecteur avec des faces d'accouplement standard à insertion, à pousser/tirer et à vis. De plus, il existe des options pour les connecteurs M8 et M12 dans les implémentations de bus de terrain existantes.

Les perspectives

SPE est sur le point de jouer un rôle important dans l'Industrie 4.0. Le réseau de partenaires industriels SPE comprend déjà plus de 30 fabricants qui fournissent des câbles, des assemblages, du silicium PHY, des commutateurs Ethernet et des dispositifs d'évaluation. Avec la capacité de fournir de meilleures performances, d'utiliser les installations de câbles existantes, de fournir de l'énergie et d'être compatible avec les logiciels Ethernet traditionnels de type informatique, SPE fournit une voie de mise à niveau relativement peu coûteuse pour remplacer les capteurs et actionneurs câblés à mesure que les systèmes existants vieillissent. . SPE est-il l'avenir de l'automatisation industrielle et de l'automobile ? Il a certainement le potentiel.

Cet article a été rédigé par Mike Anderson, chef de projet principal - architecte des systèmes embarqués, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Pour plus d'informations, contactez M. Anderson à [email protected] ou visitez ici .