Ethernet monopaire : Connectivité industrielle fiable

Dans un monde où la dépendance aux communications sans fil augmente, le monde filaire semble plutôt dépassé. Cependant, dans l'IoT industriel (IIoT), les fils restent la norme. Il y a plusieurs raisons de maintenir la connectivité filaire dans le cadre industriel, notamment les interférences RF, les bandes radio encombrées, les exigences de licence et la simple réactivité.

Traditionnellement, les applications industrielles ont été la cible de technologies de bus de terrain plus anciennes telles que Profibus, Modbus, CAN et autres. Ces technologies sont généralement basées sur le câblage à paires torsadées et sont généralement au niveau de performance de 1 Mbit/s ou moins. Dans le monde industriel, le coût est tout. Le câblage vers les capteurs et actionneurs doit donc être peu coûteux et durable. Ainsi, le câblage à paire torsadée unique est la norme.

Néanmoins, nous assistons à l'expansion de la quatrième révolution industrielle, également connue sous le nom d'Industrie 4.0 (I4). L'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 de dispositifs intelligents capables de fonctionner, d'analyser des données et d'agir sans intervention humaine. La clé du succès de l'I4 repose sur la connectivité et la performance avec un minimum de traductions intermédiaires des signaux qui pourraient introduire de la latence. De plus, l'élément IoT tourne souvent autour de la capacité à communiquer transparemment 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 des trames IP. Cela signifie qu'il existe une exigence pour des boîtiers de traduction qui convertissent les trames Profibus ou CAN en IP et vice versa. Cela introduit de la latence et augmente le coût. Et, puisque 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 soutenir les exigences de communication croissantes de l'I4.

Tirer parti des avancées de l'automobile

Dans le monde automobile, nous voyons une explosion de la quantité de données nécessaires pour les capteurs présents dans les systèmes d'assistance à la conduite avancés (ADAS). Comme les applications industrielles traditionnelles, les applications automobiles ont compté sur des technologies de bus de terrain telles que CAN pour les communications entre l'unité de contrôle électronique (ECU) et les capteurs/actionneurs tels que les freins antiblocage, les contrôles d'émission et autres. Cependant, les limites de débit de 1 Mbit/s pour CAN ou même les débits de données améliorés pour CAN-FD (jusqu'à 5 Mbit/s) ne suffisent pas pour les flux de caméras multiples, radars et lidars des véhicules modernes équipés ADAS. Ce dont les applications automobiles ont besoin, c'est d'une capacité de mise en réseau fiable à haut débit qui raccourcit le temps de mise sur le marché pour de nouvelles capacités tout en réduisant le poids. De plus, la capacité de prendre en charge IP au sein du véhicule faciliterait le développement logiciel 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 une performance garantie à des débits de données 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 de la fibre optique. Comparé au bus CAN à paire unique, le câblage Ethernet traditionnel est plus cher, plus lourd (dans le cas du 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 dans la gamme du Gbit/s serait idéal. Voici xBASE-T1 Ethernet à Paire Unique (SPE).

Standardisation du SPE

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

L'implémentation originale 10BASE-T reposait sur deux paires de fils, une paire différentielle étant utilisée pour l'émission et une pour la réception. Limité à 10 Mbit/s, ce standard était bien plus rapide que l'approche coaxiale originale, 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 connu sous le nom de commutateur Ethernet capable de 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, également connu sous le nom de 100BASE-T, qui prend en charge des débits de données jusqu'à 100 Mbit/s. Avec l'introduction de Gigabit Ethernet (1000BASE-T), le nombre de paires de fils a doublé à quatre et les débits de données ont augmenté 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 802.3at-2009) a introduit plusieurs moyens alternatifs pour fournir de l'énergie sur le même câble Ethernet que les données. Prendant en charge la livraison de jusqu'à 25,5 W à 48 VDC, le PoE a permis d'alimenter des dispositifs 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 la livraison de jusqu'à 50 W à 12, 24 ou 48 VDC. Le PoDL a été développé spécifiquement pour le marché xBASE-T1 SPE et permet de fournir à la fois les données et l'énergie via une seule paire de fils.

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

Le « L » dans 10BASE-T1L signifie « long reach » (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 câblages existants de bus de terrain à paire torsadée unique. C'est une énorme économie pour les applications industrielles. Et, avec l'ajout de PoDL, le dispositif distant peut prendre en charge les communications et être alimenté sur le même segment de câble. Comme avantage supplémentaire, le débit de 10 Mbit/s est significativement plus rapide que les implémentations de bus de terrain qu'il est censé remplacer.

Alors que la variante T1L est ciblée pour les applications point-à-point, il existe également une variante « short reach » (10BASE-T1S) qui est câblée en implémentation multi-drop pour remplacer les versions de bus de terrain courantes telles que la boucle de courant 20 mA et CAN. La portée des versions T1S est considérablement raccourcie à 25 m. Mais l'utilisation du multi-drop permet un seul passage de câble avec une seule interface de port pour le PHY d'accès au média.

Pour prendre en charge l'accès multi-drop et éviter les contentions potentielles sur le câble, il existe deux approches. La première utilise Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD), qui remonte aux 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 cesse de transmettre, attend un court laps de temps aléatoire, puis le processus se répète avec l'écoute d'un bus inactif et une nouvelle tentative de transmission. C'est une approche simple, mais elle ajoute un élément stochastique aux communications, ce qui introduira de la latence.

Si l'application est particulièrement sensible à la latence, un mécanisme alternatif d'Évitement de Collision au Niveau Physique (PLCA) peut être ajouté au CSMA/CD, où une station est désignée comme maître, qui envoie une balise qui permet seulement à la station désignée dans la balise de transmettre (un peu comme une implémentation à jeton). Cela facilite le déterminisme en fournissant un créneau désigné pour chaque station et en évitant le potentiel de collisions à mesure que le nombre de stations augmente jusqu'au maximum de 31 stations. Il convient de noter que le PoDL n'est pas encore défini pour une utilisation dans les applications multi-drop.

Ethernet est Ethernet

L'un des avantages significatifs du SPE est qu'en fin de compte, c'est de l'Ethernet. Donc, en ce qui concerne les piles de protocoles, le SPE est comme tout autre segment Ethernet. Cela signifie que vous pouvez facilement utiliser les protocoles IPv4/IPv6 au-dessus de l'implémentation SPE. C'est un énorme gain de temps pour le développement logiciel, car les équipes logicielles peuvent utiliser des API basées sur IP standard pour les communications. Il n'y a pas d'exigence de conversion de protocole depuis l'une des variantes de bus de terrain vers IP et retour, réduisant ainsi la latence et éliminant le coût du dispositif de conversion de protocole.

La détection automatique de vitesse dans le commutateur SPE est également une possibilité, tout comme le commutateur Ethernet classique à quatre paires. Par conséquent, un commutateur pourrait gérer des segments 10BASE-T1, 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 ainsi que prendre en charge des interfaces Ethernet traditionnelles à deux ou quatre paires pour le débogage ou l'interface avec du matériel IT traditionnel tel que des PC panneaux. Le commutateur pourrait également prendre en charge le PoDL pour alimenter des dispositifs distants si nécessaire.

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

Perspectives

Le SPE est appelé à jouer un rôle significatif dans l'Industrie 4.0. Le Réseau de Partenaires Industriels SPE compte déjà plus de 30 fabricants qui fournissent des câbles, assemblés, silicium PHY, commutateurs Ethernet et dispositifs d'évaluation. Avec la capacité de fournir une performance supérieure, d'utiliser les installations de câblage existantes, de fournir de l'énergie et d'être compatible logiciellement avec les implémentations Ethernet de type IT traditionnel, le SPE offre un chemin de mise à niveau à coût relativement faible pour remplacer les capteurs et actionneurs câblés à mesure que les systèmes existants vieillissent. Le SPE est-il l'avenir de l'automatisation industrielle et automobile ? Il en a certainement le potentiel.

Cet article a été rédigé par Mike Anderson, Chef de Projet Senior — Architecte Systèmes Embarqués, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Pour plus d'informations, contactez M. Anderson à michael.e.anderson@aero.org ou visitez .