Comment utiliser Single Pair Ethernet pour réduire l'espace et le poids tout en améliorant les performances de l'IoT industriel

Ethernet est la norme de réseau câblé la plus populaire pour les réseaux Internet industriel des objets (IIoT), offrant des performances solides et une fiabilité éprouvée. De plus, la technologie Power over Ethernet (PoE) réduit le câblage en alimentant les capteurs et les points d'extrémité IIoT via le même câble Ethernet. Ethernet est également devenu une norme dans les voitures particulières, remplaçant dans de nombreux cas le protocole série CAN (Controller Area Network). Cela présente des avantages notables pour la conduite autonome et les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) en raison de la fiabilité et du haut débit de données d'Ethernet.

Cependant, dans les grands réseaux IIoT, les faisceaux de câbles Ethernet peuvent devenir des obstructions qui alourdissent les équipements et nécessitent un renforcement supplémentaire, tant ils sont volumineux, lourds et encombrants. Cela est particulièrement problématique pour les applications automobiles où le poids et l'espace supplémentaires réduisent la capacité et le kilométrage. Dans les applications de transports industriels telles que les camions, les trains de passagers et de marchandises et les avions, la taille et le poids supplémentaires des câbles peuvent être suffisamment importants pour devoir être compensés dans la conception du système, ce qui augmente les coûts et ralentit l'installation.

Pour résoudre ces problèmes, les fabricants ont lancé des connecteurs et des câbles Single Pair Ethernet (SPE) qui prennent également en charge la technologie Power over Data Line (PoDL). SPE permet la transmission de données haute vitesse ainsi que l'alimentation sur une seule paire torsadée de conducteurs. Cet article explique les avantages de SPE pour les applications industrielles et de transports. Il présente ensuite deux connecteurs SPE de Phoenix Contact ainsi que deux câbles SPE adaptés aux applications SPE.

SPE par rapport à l'Ethernet classique

Ethernet est la norme de réseau câblé la plus populaire pour les réseaux locaux (LAN) commerciaux et industriels. Les versions les plus répandues sont 10/100Base-T Ethernet qui utilise deux paires de fils torsadées pour transmettre les données, et Gigabit Ethernet qui utilise quatre paires de fils torsadées. Les systèmes d'automatisation industrielle exigeant des vitesses plus élevées, Gigabit Ethernet avec PoE est devenu plus populaire pour connecter les ordinateurs aux capteurs. En général, un fil de cuivre 24 AWG est utilisé pour les paires torsadées. Ces huit fils sont généralement contenus dans un câble CAT5e de grade industriel, recouvert d'un isolant et d'un blindage en aluminium. Dans une grande installation industrielle, des centaines de ces câbles sont routés dans tout le bâtiment. Ces faisceaux de câbles peuvent devenir lourds, et au lieu de les faire courir sur le sol où quelqu'un pourrait trébucher, ils sont regroupés dans des harnais qui sont fixés aux murs et aux équipements. Ces faisceaux peuvent peser jusqu'à 20 kilogrammes (kg) ou plus, et si le poids supplémentaire de câbles additionnels n'est pas pris en compte, ils peuvent exercer une contrainte sur le système de support des câbles et le casser, ou même faire basculer l'équipement.

De plus, les câbles Ethernet classiques ont une limite de longueur de 100 mètres (m). Pour les installations industrielles plus grandes et pour les systèmes d'immotique, des répéteurs sont parfois requis pour étendre la portée des câbles Ethernet afin d'atteindre les capteurs distants. Cela ajoute à la complexité du système et introduit un autre point de maintenance. Compte tenu du temps et des frais supplémentaires qu'implique le routage de ces câbles épais et lourds, il est évident qu'une autre méthode de câblage est nécessaire.

Le SPE fournit des données bidirectionnelles et transmet l'alimentation en utilisant un câble à paire torsadée. Il prend en charge des longueurs de câble jusqu'à 1000 m, ce qui permet d'étendre la portée des capteurs en réseau sans recourir à des répéteurs. Cela permet de réduire considérablement le poids et de faciliter l'installation grâce à une configuration plus simple, un rendement énergétique maximum, un encombrement réduit et des coûts d'installation et de maintenance inférieurs à ceux de l'Ethernet classique. Si des gaines blindées peuvent être utilisées dans les systèmes industriels pour empêcher les faisceaux de câbles d'interférer les uns avec les autres, les câbles légers non blindés sont également pris en charge. C'est un avantage dans les applications automobiles, car cela permet d'utiliser des câbles légers pouvant être routés plus facilement dans les espaces restreints, comme sous les sièges et les tabliers. Grâce aux avantages combinés offerts par un câble plus petit et plus léger et par la transmission d'alimentation et de données haute vitesse dans une seule paire de fils rentable, le SPE devrait devenir une norme de communication industrielle populaire, voire dominante.

Principes de base de SPE

La spécification IEEE officielle pour SPE à 10 mégabits par seconde (Mbps) est 802.3cg. Elle prend en charge la communication de données en duplex intégral jusqu'à 1000 m.

La norme IEEE 802.3bw prend en charge la communication de données en duplex intégral jusqu'à 100 Mbps pour des câbles de 50 m maximum. Elle cible les capteurs haute vitesse dans les applications industrielles et certaines applications automobiles.

La norme IEEE 802.3bp prend en charge la communication de données en duplex intégral jusqu'à 1000 Mbps pour une longueur de câble jusqu'à 15 m. À cette longueur de câble, elle est applicable à certaines applications de capteurs industriels, mais elle est particulièrement adaptée à la vidéo haute définition, ainsi qu'aux applications de véhicules commerciaux et de petits aéronefs où les données des capteurs haute vitesse doivent être transmises sur une distance relativement courte.

Actuellement, la norme IEEE 802.3ch prend en charge jusqu'à 10 gigabits par seconde (Gbps) avec une longueur de câble pouvant atteindre 15 m. Elle est similaire à la norme 802.3bp mais inclut la couche physique (PHY). Elle cible principalement les applications automobiles commerciales et de transports industriels dans lesquelles des débits de données élevés, un diamètre de câble plus petit et surtout un poids plus faible sont des considérations très importantes pour la conception des systèmes.

Le SPE avec PoDL fournit l'alimentation au capteur ou au point d'extrémité Ethernet via la même paire torsadée, la quantité d'alimentation fournie étant déterminée par la longueur du câble et le calibre du fil. Pour une longueur maximale de 1000 m avec un fil de 14 AWG, la spécification IEEE permet 60 volts (V) et 13,53 watts (W) au point d'extrémité.

Matériel SPE industriel

Les connexions SPE industrielles n'utilisent pas de connecteurs RJ45, mais la nouvelle norme de connecteur T1 CEI 63171. Phoenix Contact propose une gamme de câbles et connecteurs SPE destinés aux applications industrielles.

Pour les applications SPE industrielles nécessitant une robustesse IP67, Phoenix Contact offre une véritable connexion M8 en utilisant l'insert SPE M8-2 1163793 avec le capot M8 1412502 (Figure 1). La combinaison du capot et de l'insert offre une protection IP67 adaptée aux environnements industriels difficiles. L'assemblage léger convient également aux systèmes aéronautiques et de transport.

Figure 1 : L'insert M8-2 1163793 (à gauche) et le capot M8 1412502 (à droite) de Phoenix Contact constituent une véritable solution SPE M8 avec une protection IP67 une fois assemblés. (Source de l'image : Phoenix Contact)

L'assemblage de connecteur peut fournir une alimentation PoDL jusqu'à 72 V à 4 ampères (A) et il est conçu pour des températures de -40°C à +85°C, ce qui le rend approprié pour l'alimentation des points d'extrémité IIoT et des nœuds de capteurs dans les environnements extérieurs. Le format populaire des connecteurs M8 permet aux fabricants de systèmes de convertir facilement les capteurs et les équipements existants avec des connecteurs M8 en SPE. L'assemblage de connecteur SPE utilise un modèle de connecteur SPE M8-2 standard avec un codage en D pour garantir que seuls des câbles SPE sont insérés dans l'assemblage de connecteur.

Matériel SPE d'entreprise

Le SPE convient également aux systèmes d'entreprise, y compris les environnements de bureau, où des câbles plus légers et à diamètre inférieur sont plus faciles à utiliser et à router. Les applications industrielles IP67 peuvent facilement interagir avec ces systèmes d'entreprise en utilisant le même réseau SPE. Pour les applications d'entreprise qui requièrent une protection IP20, une solution appropriée est le jack modulaire SPE 1163797 de Phoenix Contact, un jack CEI 63171 à soudage traversant doté d'un clip de verrouillage garantissant la connexion solide du câble (Figure 2).

Figure 2 : Le jack modulaire SPE 1163797 de Phoenix Contact est compatible avec toutes les normes SPE actuelles. Il est répertorié pour fournir jusqu'à 72 V à 4 A. (Source de l'image : Phoenix Contact)

L'insert M8-2 est doté d'un détrompeur pour prévenir les erreurs de connexion. Le jack présente deux fiches en alliage de cuivre plaqué or qui maintiennent la résistance de contact à un minimum, ce qui lui permet de délivrer une alimentation PoDL jusqu'à 70 V à 4 A. Le capot M8 est en laiton avec placage en nickel pour fournir une résistance à la corrosion.

Le 1163797 prend en charge toutes les spécifications de connecteurs SPE 802.3cg/bu/bw/bp actuelles. Il est construit pour résister aux environnements difficiles, avec des cycles d'insertion et de retrait supérieurs à 750. Il est répertorié IP20, offre une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C, et mesure 5 mm x 8,35 mm x 14,2 mm. Il convient donc au montage par soudure sur les ordinateurs monocartes (SBC) ainsi que sur les contrôleurs logiques programmables (PLC), où des câbles sont occasionnellement remplacés. Les exemples de scénarios où cela s'avère utile incluent les installations de fabrication qui peuvent avoir besoin d'être reconfigurées pour des assemblages de produits différents.

Câbles SPE pour IIoT

Pour les connexions SPE courtes, Phoenix Contact fournit le câble SPE de 2 m 1183808. Ce câble prend en charge PoDL jusqu'à 72 V à 4 A et il est équipé de deux prises SPE à chacune de ses terminaisons (Figure 3). Alors que l'Ethernet classique inclut des jacks aux extrémités des câbles et des prises aux points d'extrémité, le matériel SPE est inversé.

La gaine du câble est en polyuréthane qui résiste aux rayons ultraviolets (UV), à l'abrasion et à la plupart des solvants. Les câbles en polyuréthane sont également résistants à la rétraction et à la fissuration causées par l'exposition au soleil et à l'eau, ainsi qu'aux mauvais traitements fréquents dans les environnements industriels. Le câble est protégé des interférences électromagnétiques (EMI) par un blindage en cuivre tressé étamé, enveloppé dans une feuille d'aluminium recouverte de plastique. Il convient donc aux environnements électriquement bruyants, notamment lorsqu'il est groupé avec d'autres câbles à haute vitesse.

Figure 3 : Le câble SPE 1183808 de Phoenix Contact a une longueur de 2 m et une gaine de protection en polyuréthane. Il est protégé contre les interférences électromagnétiques et prend en charge des débits de données jusqu'à 1000 Mbps. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Les contacts des prises du câble sont en alliage de cuivre et prennent en charge des vitesses de transmission de données de 10 Mbps conformément à la norme 802.3cg, et de 100 Mbps conformément à 802.3bw. Le taux de transmission le plus élevé est de 1000 Mbps (802.3bp), convenant non seulement aux capteurs mais également aux équipements de vidéosurveillance haute définition (HD).

Tandis que la gaine de câble est résistante à l'eau et à la poussière, ainsi qu'aux flammes selon la norme UL94V0, l'assemblage de câble est répertorié IP20 en raison des connecteurs de terminaison de câble. Chaque connecteur est doté d'un clip de verrouillage permettant de connecter en toute sécurité le câble à l'extrémité du jack. Ce mécanisme de verrouillage fait partie de la norme de connexion SPE afin d'éviter toute déconnexion accidentelle dans les environnements à haute activité. Le câble est répertorié pour un fonctionnement de -40°C à +85°C et pour 750 cycles d'insertion et de retrait. Il est adapté à une utilisation en intérieur avec des tableaux de raccordement, ainsi qu'aux connexions entre les capteurs IIoT et les boîtes de jonction SPE.

Pour les applications exigeant un câble plus long, Phoenix Contact propose le câble SPE de 5 m 1183811, qui présente les mêmes spécifications que le 1183808.

Conclusion

La transition vers la technologie SPE dans des applications telles que l'IIoT, l'automobile et l'entreprise, aide les concepteurs à répondre au besoin de solutions de connectivité haute vitesse plus légères, plus petites et plus faciles à utiliser, tout en réduisant les coûts. Toutefois, les concepteurs doivent sélectionner avec soin les connecteurs et les câbles qu'ils utilisent lors du déploiement de réseaux basés sur SPE afin de garantir une connectivité fiable dans des environnements physiquement difficiles et électriquement bruyants.

Comme illustré, il existe des variantes de connecteurs qui permettent de connecter facilement des systèmes d'entreprise répertoriés IP20 à des systèmes de contrôle industriel IP67 avec de véritables connecteurs SPE M8, garantissant une connectivité et une alimentation transparentes dans les deux environnements. Avec la capacité PoDL ajoutée, la connectivité SPE permet de fournir facilement à la fois l'alimentation et les données aux points d'extrémité IIoT dans les environnements industriels et d'entreprise sans câblage supplémentaire, ce qui simplifie et rationalise considérablement les déploiements.