La technologie SPE (Single Pair Ethernet) dans l'automatisation industrielle

Introduction

SPE (Single Pair Ethernet) est l'une des plus importantes technologies de communication industrielle de nouvelle génération permettant la convergence des architectures Ethernet industriel, IoT industriel (IIoT) et Industrie 4.0.

Les systèmes Ethernet traditionnels nécessitent généralement plusieurs paires de fils torsadés pour la communication. Cependant, à mesure que les systèmes d'automatisation industrielle évoluent vers :

• Dispositifs plus petits
• Capteurs distribués
• Instruments de terrain intelligents
• Informatique de pointe
• Réseaux industriels en temps réel

Le câblage Ethernet traditionnel devient de plus en plus complexe, encombrant et coûteux.

La véritable valeur de la technologie SPE réside dans la façon dont la communication Ethernet sur une seule paire torsadée simplifie le réseau industriel tout en maintenant l'interopérabilité Ethernet.

SPE permet :

• Communication Ethernet sur une paire torsadée
• Réduction de la taille du câblage
• Installation simplifiée
• Câblage industriel léger
• Communication à longue distance
• Instrumentation de terrain basée sur Ethernet
• Intégration transparente des technologies de l'information et des technologies de l'information

Les dispositifs industriels modernes ne sont plus des composants de terrain isolés. SPE permet aux capteurs, aux actionneurs, aux contrôleurs et aux instruments intelligents de devenir des nœuds Ethernet entièrement intégrés au sein des écosystèmes de l'industrie 4.0.

Histoire et développement de la technologie SPE

La technologie Ethernet à paire unique est née du besoin croissant de communications Ethernet légères dans les systèmes automobiles et industriels.

Les technologies Ethernet traditionnelles ont été conçues à l'origine pour les environnements informatiques de bureau et nécessitaient en général.. :

• Quatre paires de fils
• Grands connecteurs
• Installations à courte distance

Ces architectures n'étaient pas idéales pour :

• Systèmes automobiles
• Capteurs industriels
• Dispositifs d'automatisation compacts
• Longs trajets de câbles industriels

À mesure que les systèmes industriels et automobiles se numérisent, la demande d'une architecture Ethernet plus petite et plus simple capable de prendre en charge les systèmes industriels et automobiles s'accroît :

• Communication en temps réel
• Réseau de capteurs
• Dispositifs de terrain intelligents
• Automatisation basée sur Ethernet

Cela a conduit au développement de technologies SPE telles que :

• 100BASE-T1
• 1000BASE-T1
• 10BASE-T1L
• 10BASE-T1S

Une description technique couramment citée est la suivante

“C'est ce qu'on appelle généralement BASE-T1.”

Aujourd'hui, les industries automobile et industrielle adoptent rapidement les architectures SPE.

Une discussion sur l'ingénierie a résumé cette évolution comme suit :

“L'ensemble du monde de l'automobile se rend à SPE et remplace CAN.”

Un autre ingénieur a déclaré

“L'Ethernet automobile est une paire unique pour 100M/1G ...”

Cela reflète une transition technologique majeure des bus industriels traditionnels vers des architectures basées sur l'Ethernet.

Principe technique fondamental de la SPE

Dans le cas de l'Ethernet à paire unique, une seule paire de fils torsadés à l'intérieur du câble est utilisée pour la communication Ethernet et, éventuellement, pour l'alimentation électrique.

Contrairement aux systèmes Ethernet traditionnels qui nécessitent plusieurs paires de fils, SPE simplifie considérablement l'infrastructure de câblage.

La technologie prend en charge des débits de communication allant de :

10 Mbit/s → 10 Gbit/s

en fonction de la norme SPE et de la configuration du câble.

Cela permet :

• Architectures Ethernet légères
• Connecteurs plus petits
• Diamètre de câble réduit
• Coût d'installation réduit
• Routage simplifié

L'architecture de câblage simplifiée est particulièrement utile pour :

• Capteurs industriels
• Robotique
• Systèmes automobiles
• Automatisation des bâtiments
• Automatisation des processus

Normes et variantes SPE

Plusieurs normes SPE ont été élaborées pour répondre à différentes exigences industrielles.

10BASE-T1L

10BASE-T1L est l'une des normes SPE les plus importantes pour l'automatisation industrielle.

Une discussion d'ingénierie expliquée :

“Il existe une norme à paire torsadée unique appelée 10BASE-T1L, mais elle n'est que de 10 Mb/s.”

Bien que le débit de données soit relativement faible par rapport à l'Ethernet à grande vitesse, 10BASE-T1L a été spécifiquement optimisé pour :

• Communication à longue distance
• Faible consommation d'énergie
• Instrumentation industrielle de terrain
• Automatisation des processus

10BASE-T1L est aujourd'hui l'une des technologies de base des systèmes Ethernet-APL.

100BASE-T1 et 1000BASE-T1

Les normes SPE à plus grande vitesse telles que :

• 100BASE-T1
• 1000BASE-T1

sont couramment utilisés :

• Ethernet automobile
• Robotique
• Automatisation des machines
• Réseau industriel à grande vitesse

Ces normes permettent d'augmenter considérablement la largeur de bande des systèmes intelligents modernes.

Performance et communication Reach

L'un des principaux avantages techniques de la SPE est l'équilibre entre la vitesse de communication et la distance du câble.

Les discussions sur l'ingénierie sont généralement les suivantes :

“Vous devriez pouvoir obtenir un débit de 100 mégabits jusqu'à environ 500 mètres.”

Une autre référence en matière d'ingénierie indique que

“L'ethernet T1L devrait atteindre 500m”.”

Cette capacité de longue distance est particulièrement importante dans les environnements industriels tels que :

• Usines de traitement
• Installations pétrolières et gazières
• Usines chimiques
• Grandes usines
• Systèmes d'infrastructure

où les capteurs et les dispositifs de terrain peuvent être répartis sur de vastes zones.

SPE vs communication RS485 traditionnelle

SPE présente des différences architecturales majeures par rapport aux systèmes industriels traditionnels basés sur RS485.

Un ingénieur a expliqué :

“L'autre différence évidente entre SPE et RS485 est la complexité du logiciel.”

Contrairement aux systèmes RS485 qui nécessitent généralement des protocoles industriels spécialisés, SPE est entièrement basé sur Ethernet.

Le même ingénieur a déclaré

“SPE est ethernet, donc beaucoup plus complexe, mais la bonne chose est que le logiciel ne se soucie pas ou n'a pas besoin de savoir s'il s'agit de SPE ou d'ethernet normal, donc les bibliothèques ethernet/réseau/TCPIP existantes fonctionneront avec lui”.”

Cela représente l'un des plus grands avantages technologiques de SPE :

Les piles logicielles Ethernet standard peuvent fonctionner directement sur les réseaux SPE.

Cela permet aux systèmes industriels de tirer parti de l'effet de levier :

• Piles TCP/IP existantes
• Outils Ethernet
• Infrastructure de réseau
• Protocoles informatiques
• Connectivité dans le nuage

sans nécessiter des architectures de communication entièrement nouvelles.

Pourquoi la SPE devient-elle une technologie majeure ?

Les systèmes industriels étant de plus en plus numérisés, la demande d'une plus grande largeur de bande de communication ne cesse d'augmenter.

Une discussion sur l'ingénierie a expliqué :

“L'une d'entre elles serait le débit, comme vous l'avez dit, car tout devient de plus en plus numérisé...”

Le même ingénieur a également déclaré

“Un autre serait certainement la pile IP, la pile UDP et la pile TCP, qui ont déjà fait leurs preuves.”

Cela met en évidence l'un des principaux avantages technologiques de SPE :

Au lieu de s'appuyer sur les anciens bus industriels avec des structures de paquets limitées, SPE permet aux systèmes industriels d'utiliser pleinement les architectures Ethernet modernes.

La discussion se poursuit :

“Si, au lieu d'utiliser une passerelle CAN, on utilisait simplement un routeur, ce serait beaucoup mieux, car les bus de données du groupe motopropulseur, du confort, des diagnostics, etc. pourraient devenir un sous-réseau plutôt que d'avoir à rassembler des paquets CAN à travers la passerelle.”

Cela montre comment SPE simplifie l'architecture du système en permettant une communication Ethernet unifiée.

SPE et évolution de l'Ethernet industriel

Selon le site web de recherche industrielle Groupe consultatif ARC Article SPE, SPE contribue à accélérer la migration vers la technologie opérationnelle (OT) basée sur Ethernet.

L'article explique que SPE :

• Élargit les capacités de l'IoT industriel
• Prise en charge de la migration OT basée sur Ethernet
• Permet la compatibilité avec des réseaux informatiques plus larges
• Prise en charge des architectures de communication industrielle de bout en bout

L'article souligne en outre que la SPE permet :

• Intégration des commutateurs
• Connectivité des capteurs
• Protocoles de communication unifiée
• Convergence OT et IT

Cela reflète l'un des principaux objectifs de l'industrie 4.0 :

Création d'architectures de communication Ethernet unifiées depuis les systèmes d'entreprise jusqu'aux appareils de terrain.

Applications industrielles de la SPE

La technologie SPE est de plus en plus utilisée dans le monde entier :

• Capteurs industriels
• Robotique
• Automatisation des bâtiments
• Systèmes énergétiques durables
• Automatisation des processus
• Ethernet automobile
• Usines intelligentes

SPE fournit une connectivité Ethernet transparente et sécurisée pour les appareils industriels hautement distribués.

Comment la SPE améliore les fonctions des instruments

La technologie SPE modifie fondamentalement la façon dont les appareils industriels communiquent et fonctionnent.

Conception d'instruments plus petits et plus simples

Comme la SPE n'utilise qu'une seule paire torsadée, les appareils industriels peuvent l'utiliser :

• Connecteurs plus petits
• Taille réduite du câble
• Structures compactes des dispositifs

Cela améliore la flexibilité de l'installation et réduit la complexité du câblage.

Connectivité Ethernet directement au niveau du capteur

Les capteurs industriels traditionnels nécessitent souvent des convertisseurs de protocole ou des passerelles.

SPE permet aux capteurs de devenir des dispositifs Ethernet natifs capables de prendre directement en charge :

• Communication TCP/IP
• OPC UA
• MQTT
• Ethernet-APL
• Connectivité dans le nuage

Un débit de données plus élevé pour des appareils plus intelligents

Par rapport à de nombreux systèmes de bus de terrain traditionnels, SPE offre une largeur de bande de communication nettement plus élevée.

Cela permet aux appareils de transmettre :

• Diagnostics
• Données de maintenance prédictive
• Analyse de la forme d'onde
• Informations sur la santé de l'appareil
• Données opérationnelles en temps réel

Industrie 4.0 Évolution de la SPE

La SPE devient l'une des principales technologies habilitantes des architectures Ethernet de terrain de l'industrie 4.0.

Les systèmes modernes de l'industrie 4.0 nécessitent de plus en plus :

• Capteurs intelligents
• Dispositifs de périphérie distribués
• Collecte de données en temps réel
• Communication Ethernet unifiée
• Intégration dans le nuage

SPE permet à la communication Ethernet de s'étendre directement à l'instrumentation de terrain.

SPE et Ethernet-APL

L'un des développements les plus importants de l'industrie 4.0 est la relation entre SPE et Ethernet-APL.

Ethernet-APL s'appuie sur la technologie SPE et étend la communication Ethernet aux environnements d'automatisation des processus dangereux.

Cela permet :

• Ethernet longue distance à sécurité intrinsèque
• Communication de terrain à grande vitesse
• Instrumentation de processus connectée à l'Ethernet

Convergence OT et IT

La SPE contribue à l'unification :

• Technologie opérationnelle (OT)
• Technologie de l'information (IT)

par le biais d'architectures de communication Ethernet normalisées.

Cela améliore considérablement la situation :

• Interopérabilité industrielle
• Intégration dans le nuage
• Diagnostic à distance
• Accès aux données de l'entreprise

Tendances futures du développement de la SPE

Les futures technologies SPE devraient évoluer vers :

• Ethernet de terrain à plus grande largeur de bande
• Connecteurs industriels de petite taille
• Communication industrielle innovante
• Réseaux industriels basés sur l'IA
• Écosystèmes de capteurs basés sur Ethernet
• Architectures Ethernet industrielles entièrement unifiées

Les futurs systèmes industriels pourraient de plus en plus éliminer les technologies traditionnelles de bus de terrain au profit d'infrastructures de communication basées sur l'Ethernet.

Conclusion

L'Ethernet à paire unique (SPE) représente l'une des évolutions les plus importantes en matière de communication dans l'automatisation industrielle moderne.

La véritable valeur de SPE réside dans la simplification de la communication Ethernet :

• Réseau industriel léger
• Architectures de dispositifs plus petits
• Communication de terrain à longue distance
• Capteurs Ethernet natifs
• Communication unifiée IT/OT
• Intégration de l'industrie 4.0

Alors que l'automatisation industrielle continue d'évoluer vers des architectures distribuées intelligentes, la SPE devrait devenir l'une des technologies fondamentales des systèmes industriels de nouvelle génération basés sur l'Ethernet.