[APPLICATION ONSEMI] Jusqu'à récemment, les réseaux des usines automatisées devaient intégrer de nombreuses passerelles entre les dispositifs de périphérie et le réseau Ethernet principal, en raison de l'incompatibilité des protocoles de bus de terrain couramment utilisés. Avec l'avènement de la norme 10BASE-T1S, les réseaux industriels sont simplifiés et les performances sont en même temps améliorées. Les passerelles ne sont plus nécessaires et la connectivité périphérique est passée des protocoles Fieldbus inférieurs à 1 Mbit/s à un Ethernet déterministe à 10 Mbit/s.

Auteur : Arndt Schübel, Product Marketing Engineer, Analog & Mixed-Signal Group (AMG), onsemi.

Notre monde devient de plus en plus intelligent et connecté, les bâtiments et les usines étant automatisés comme jamais auparavant. Pour que ces nouveaux systèmes fonctionnent efficacement, une communication fiable est essentielle, au sein même des panneaux de contrôle industriels, mais aussi au niveau des dispositifs répartis dans les locaux.

Jusqu'à récemment, les réseaux industriels étaient complexes et pouvaient nécessiter l'utilisation d'une grande variété de protocoles et de passerelles. Assurer une interconnexion adéquate pouvait s’avérer à la fois coûteux et moins fiable. Cependant, une transformation est en cours avec l’avènement du standard Ethernet 10BASE-T1S. Cette norme innovante remplace les technologies de bus de terrain existantes et offre de multiples avantages pour les environnements de réseau modernes tout en éliminant le besoin de passerelles.

La nouvelle norme est prise en charge par une gamme de composants électroniques tels que les contrôleurs Ethernet industriels 10BASE-T1S d'onsemi qui fournissent une solution monopuce fiable et efficace pour faire l'interface avec les médias à paire torsadée (TP, Twisted Pair).

Une connectivité fiable dans les applications industrielles

Bien que les distances soient relativement courtes dans les armoires industrielles, il peut s'avérer difficile d'assurer une connectivité fiable dans les applications industrielles, notamment en raison de l'importance du bruit électrique présent. Les appareils de commutation lourds, les moteurs et de nombreux autres appareils à courant élevé/haute tension peuvent générer des niveaux d'interférences électromagnétiques qui perturbent le trafic réseau.

Dans une application bureautique, une transmission de données ralentie en raison d’interruptions serait frustrante ou gênante. Cependant, dans les applications industrielles, il est essentiel que les données soient fournies en temps voulu, en particulier celles provenant de capteurs distants qui contrôlent une machine. Si les données arrivent en retard ou sont incorrectes, les paramètres du processus peuvent être violés ou, pire encore, les machines de production peuvent être endommagées.

Pour la même raison, il est important que les données soient transmises en temps utile. Cela exclut l'utilisation de certains protocoles dans lesquels la négociation de l'accès au bus repose sur un délai d'attente aléatoire.

Comment 10BASE-T1S répond aux derniers défis de connectivité industrielle

L'infrastructure réseau est souvent conceptualisée comme une « pile » avec une implémentation physique (câblage/support) au niveau inférieur et des logiciels de plus en plus sophistiqués au-dessus. Dans les applications de type Factory 4, l'intelligence artificielle (IA), l'apprentissage automatique (ML, Machine Learning), la planification, l'exécution, l'automatisation, le suivi, le contrôle des stocks, le contrôle de supervision, etc. se situent au sommet.

La couche (physique) la plus basse est celle de l'usine, où les nœuds périphériques, notamment les robots, les actionneurs, les capteurs de mouvement et les vannes, effectuent des travaux de fabrication physique, couvrant souvent de nombreuses chaînes d'assemblage.

La norme 10BASE-T1S élimine le besoin de protocoles non Ethernet et de passerelles associées

Au sommet de la pile, la communication se fait par l'intermédiaire d'un réseau local Ethernet multigigabit. Cependant, la communication au sein de l'usine tend à être un mélange fragmenté de protocoles réseau de bus de terrain multisauts, notamment HART, RS-485, Modbus, DeviceNet, Profibus et CAN, fonctionnant à des débits de plusieurs mégabits, ou moins, sur une paire de fils torsadés, blindés ou non.

Pour que cela fonctionne comme un réseau unifié, des passerelles sont nécessaires entre la section Ethernet et les autres protocoles, ce qui fragmente la communication et ajoute des coûts et de la complexité.

Une nouvelle variante d'Ethernet devrait améliorer considérablement la connectivité à la périphérie dans les applications des bâtiments et usines intelligents. La ratification (en 2019) de la spécification IEEE 802.3cg a livré le standard 10BASE-T1S. Reposant sur Ethernet, avec quelques différences importantes, cette norme offre un débit de 10 Mbit/s, un fonctionnement multisaut avec une gestion déterministe des collisions.

La norme fonctionne sur des câbles Ethernet à paire torsadée (SPE, Single-Pair Ethernet, SPE) non blindés, ce qui simplifie considérablement l'installation et réduit les coûts.

Le fonctionnement déterministe est essentiel pour les systèmes temps réel où il est important que les messages soient transmis dans un délai connu. L'Ethernet traditionnel utilise le mécanisme CSMA/CD qui s’appuie sur une période de temps aléatoire et pour cette raison, il n'y a aucune garantie de délai sur les communications. Le 10BASE-T1S utilise un nouveau système connu sous le nom de PLCA (Physical Layer Collision Prevention) qui évite les collisions de données sur le bus. Sous PLCA, une balise de 2,0 µs envoyée par le nœud 0 (coordinateur) synchronise les nœuds du réseau. Le nœud 0 a ensuite la possibilité de transmettre. S'il n'y a pas de données, l'opportunité est transmise au nœud 1 dans le délai standard de 3,2 microsecondes par défaut. Ce processus se poursuit, donnant à chaque nœud une opportunité de transmettre à tour de rôle. Une fois le cycle terminé, un nouveau cycle commence avec un nouveau signal de balise émis par le coordinateur.

Si un nœud tente de transmettre une taille de trame supérieure à la taille autorisée, une fonction « jabber » l'interrompt et transmet l'opportunité de transmission au nœud suivant, garantissant ainsi que le bus ne peut pas être bloqué. Avec PLCA, la latence d'accès au média la plus défavorable est calculée comme le produit du nombre de nœuds présents et de la taille maximale de la trame du réseau, qui peut être ajustée.

De nombreuses applications industrielles se situent dans des environnements électromagnétiques difficiles avec du bruit rayonné et conduit dû aux appareillages de commutation, aux moteurs et à d'autres équipements lourds. Malgré l'utilisation d'une paire torsadée non blindée, le 10BASE-T1S offre d'excellentes performances en matière de compatibilité électromagnétique (CEM) par rapport aux protocoles Ethernet existants. Cela s'explique en partie par le déploiement du PLCA. Le bus étant exempt de collision, le récepteur PHY est capable d'utiliser des algorithmes sophistiqués pour détecter ou récupérer le signal lorsque des niveaux élevés de bruit existent dans l'environnement.

Les contrôleurs Ethernet d'onsemi améliorent la connectivité

Avec la disponibilité du protocole 10BASE-T1S, les nouveaux dispositifs sont optimisés pour le 10BASE-T1S, permettant aux concepteurs de profiter des nouvelles fonctionnalités. Par exemple, le circuit NCN26010 d'onsemi est un émetteur-récepteur Ethernet conforme à la norme IEEE 802.3cg qui intègre un contrôleur d'accès au média (MAC), une sous-couche de réconciliation PLCA (PLCA-RS) et une couche physique PHY 10BASE−T1S adaptée à l'Ethernet multisaut industriel. Toutes les fonctions de couche physique nécessaires à la transmission et à la réception de données sur une seule paire torsadée non blindée sont intégrées au dispositif.

Schéma fonctionnel de base du contrôleur 10GBASE-T1S NCN26010 montrant les composants externes

Bien qu'il contienne le MAC, le PLCA et le PHY (TX + RX), le dispositif électronique est logé dans un minuscule boîtier QFN32 de 4 x 4 mm et est alimenté par une seule alimentation de 3,3 V. La synchronisation est pilotée par un oscillateur à cristal externe de 25 MHz ou une source d'horloge externe de 25 MHz. La communication avec un hôte s'effectue via une interface OA SPI définie par l'Open Alliance. De plus, le NCN26010 comprend une fonction ENI (Enhanced Noise Immunity) qui augmente l'immunité au bruit à des niveaux supérieurs à ceux prévus par la spécification 10BASE-T1S. Cela améliore considérablement les performances du réseau dans les environnements industriels bruyants.

L'émetteur-récepteur Ethernet (PHY) NCN26000 10BASE-T1S qui a été lancé par onsemi en avril 2024 est conçu pour l'Ethernet industriel. Il a de nombreux points communs avec le NCN26010 précédent, notamment la conformité IEEE802.3cg pour les débits de données multi-drop et semi-duplex de 10 Mbit/s sur SPE.

Schéma fonctionnel interne détaillé du NCN26000

La principale différence entre les deux dispositifs est que le NCN26000 contient uniquement le PLCA-RS et le PHY (TX + RX) dans un seul boîtier QFN de 5 x 5 mm. Le NCN26000 nécessite également une alimentation 3,3 V et une horloge externe de 25 MHz. Le NCN26000 dispose d'une interface indépendante des médias (MII) conforme à la norme IEEE 802.3 qui peut se connecter à n'importe quel MAC compatible CSMA/CD semi-duplex qui possède des broches CRS et COL. Le MII peut également être utilisé pour la configuration et la surveillance de l'appareil (appelé MDIO). Les deux dispositifs intègrent la fonctionnalité ENI d'onsemi qui améliore considérablement les performances dans les applications multipoints 10BASE-T1S dans des environnements électriquement bruyants.

Lors des tests en laboratoire, les appareils ont facilement dépassé l’exigence minimale de huit nœuds à 25 mètres. En fait, des tests plus approfondis ont montré que la fonctionnalité ENI pouvait prendre en charge environ 40 nœuds à 25 mètres, 16 nœuds à 50 mètres et 6 nœuds à 60 mètres, dépassant largement les exigences de la spécification IEEE.

Scénarios d'application et de déploiement

Outre sa capacité à fonctionner de manière déterministe, le 10BASE-T1S est relativement peu coûteux à déployer car il repose sur un câble SPE non blindé. La réduction des coûts et l'intégration plus simple du 10BASE-T1S peuvent contribuer à ouvrir un large éventail de possibilités pour des applications qui étaient auparavant entravées par des restrictions budgétaires ou de packaging.

Un exemple est la possibilité de mettre à niveau des nœuds de capteurs auparavant indépendants dans une automatisation industrielle complexe en les connectant à des systèmes centralisés en réseau.

Les méthodes de connexion précédemment disponibles pouvaient être trop coûteuses ou difficiles à intégrer, alors que le 10BASE-T1S permet de surmonter ces obstacles. Des défis similaires en matière de coûts et d'encapsulation peuvent également survenir au cours du processus de conception de nouvelles solutions robotiques ou d'automatisation et, une fois encore, le 10BASE-T1S peut contribuer à obtenir une plus grande interconnectivité sans compromettre les performances ni augmenter les budgets.

L'automatisation des bâtiments étant un secteur en pleine expansion, le 10BASE-T1S peut être utilisé dans des applications telles que les panneaux de commande, les interfaces homme/machine (IHM), les capteurs, les actionneurs et l'éclairage, fournissant ainsi un réseau fédérateur fiable et à haut débit dans tout le bâtiment.

Dans les applications industrielles, les améliorations de performances et de coût sont également un avantage, tandis que l'immunité au bruit est particulièrement précieuse. Ici, le 10BASE-T1S peut être utilisé pour se connecter depuis l'armoire de commande à des automates programmables (PLC), des capteurs, des contacteurs et tout autre appareil convenablement équipé d'une interface 10BASE-T1S.