Deux ans de SPE System Alliance : Normes et stratégies pour l'IIoT

Pour la communication dans les applications d'automatisation, les bus de terrain ont fait leurs preuves depuis la fin des années 1990. Aujourd'hui encore, ils sont le système de bus le plus utilisé au niveau des capteurs/actionneurs dans l'industrie de la fabrication et des processus : faciles à installer et à entretenir, ils sont également peu coûteux. Mais ils ont désormais atteint leurs limites dans l'usine intelligente : ils ne sont pas adaptés aux exigences de l'Internet industriel des objets (IIoT), c'est-à-dire à une communication rapide et continue sans interfaces du capteur au cloud. C'est pourquoi, selon les experts, le Single Pair Ethernet (SPE) s'établira au niveau des capteurs/actionneurs en tant qu'apport aux réseaux IP à haut débit. L'impulsion pour le développement est venue de l'industrie automobile, où les premières solutions SPE ont été présentées en 2008. Mais cette technologie offre également de grands avantages dans l'automatisation de la production, l'industrie des processus ou l'automatisation des bâtiments. Contrairement à l'Ethernet classique, qui nécessite jusqu'à huit fils en raison des taux de transfert de données plus élevés, le SPE ne nécessite qu'une seule paire de fils. Mais au lieu de taux de transmission croissants, le niveau de terrain de l'industrie exige de longs chemins de câbles et une miniaturisation. Et avec 10 Mbit/s pour une longueur de transmission allant jusqu'à 1000 m et jusqu'à 1 Gbit/s pour une longueur de transmission de 40 m, le SPE est tout à fait suffisant, même pour les capteurs exigeants.
Afin d'établir le SPE sur les marchés, une alliance d'intérêts a été créée à l'occasion de la foire de Hanovre 2019, qui a donné naissance en avril 2020 à la Single Pair Ethernet System Alliance. Cette association regroupe actuellement 33 entreprises. L'organisation s'occupe de l'ensemble de l'écosystème SPE et des questions ouvertes qui existent dans ce contexte. Cela comprend non seulement les composants physiques tels que les câbles, les PHY, les connecteurs, les capteurs ou les commutateurs, mais aussi les topologies, les projets de normalisation, les tests et les cas d'application.

De la théorie à la pratique

Depuis la fusion, les entreprises membres ont été très actives : dans un premier temps, elles ont joué un rôle important dans l'élaboration des faces de connexion standardisées au niveau international conformément à la norme CEI 63171-2 pour le type de protection IP20 et à la norme CEI 63171-5 pour M8 et M12 (type de protection IP67). Les connecteurs IP20 et IP65/67 possèdent un visage d'enfichage uniforme : un câble de raccordement IP20 s'adapte ainsi sans adaptateur à un raccordement M8 ou M12. "Le visage d'enfichage selon la norme CEI 63171-2 est le plus compact de toute la série de normes et répond ainsi parfaitement à l'exigence de miniaturisation", explique Verena Neuhaus, responsable marketing produits chez Phoenix Contact. "Par rapport au RJ45, il est possible de doubler la densité des ports, ce qui permet de réaliser des designs d'appareils nettement plus compacts". Entre-temps, Phoenix Contact a également développé des connecteurs d'appareils et de câbles correspondants pour l'Ethernet à une paire pour l'automatisation des usines, l'automatisation des processus et l'automatisation des bâtiments. Les interfaces normalisées selon les normes CEI 63171-2 et CEI 63171-5 sont idéales pour les environnements bureautiques et industriels. Le portefeuille comprend aussi bien des cordons de brassage pré-assemblés que des raccordements d'appareils compacts pour le processus de soudage par refusion dans différentes formes de construction.

Le portefeuille au format M8 comprend également des cordons de brassage pré-assemblés avec différents types de câbles pour différentes applications. L'utilisation des composants M8 standard offre au fabricant d'appareils l'avantage d'une conception simple et d'une grande flexibilité en matière de câblage. Les géométries de boîtier et les traversées de paroi existantes peuvent être reprises et équipées de nouveaux inserts SPE. Les inserts sont disponibles en version droite ou coudée et pour différents procédés de soudage (THR et CMS). Verana Neuhaus : "En plus des connecteurs SPE déjà disponibles, Phoenix Contact développe de nouveaux composants dans les formats M12 et M12 Hybrid. Nous présenterons les premiers prototypes de connecteurs mâles SPE M12 au salon SPS".

Le SPE offre également des avantages dans le domaine de la domotique, comme l'explique Matthias Gerber, Market Manager LAN Cabling chez Reichle & De Massari AG (R&M) : "Le SPE est idéal pour raccorder au réseau de données une multitude d'applications dans la domotique". C'est surtout dans les zones dites de Digital-Ceiling, entre le Service Outlet (SO) et les petites applications IoT, que le SPE offre de multiples et nouvelles possibilités. Gerber : "La norme ISO/IEC 11801-6 autorise déjà l'utilisation d'un câblage spécifique à l'application après le Service Outlet. Ainsi, la première pierre d'une solution de connexion au réseau de capteurs de lumière, de température, de fumée ou d'air ou de commandes pour fenêtres et stores est posée". Ainsi, grâce à SPE, la communication Ethernet/IP dans l'automatisation des bâtiments et l'environnement industriel pourrait être étendue jusqu'au niveau des capteurs/actionneurs et remplacer ainsi une grande partie des applications de bus de terrain. Matthias Gerber : "D'innombrables terminaux peuvent alors être intégrés directement dans l'Internet des objets (IoT) sans passer par des passerelles coûteuses et être commandés par un système de gestion de bâtiment numérisé basé sur IP".

R&M a développé à cet effet un système de câblage complet sur la base de deux types de connecteurs SPE : LC-Cu (IEC63171-1) et MSP (IEC63171-2). Dans les deux systèmes de connecteurs SPE, R&M mise sur le câblage autodénudant (IDC). Exploité avec le protocole 10BASE-T1L, le système de câblage R&M atteint des distances de transmission allant jusqu'à 600 mètres. SPE : transmettre des données et de l'énergie Le développement de l'Ethernet à simple paire trouve son origine dans le secteur automobile. Thomas Keller, Project Management Medical & Industries chez Rosenberger et Board Member de l'Alliance : "Les véhicules modernes sont aujourd'hui des microcosmes de connectivité dans lesquels les appareils électroniques sont reliés aux réseaux internes des véhicules. Ce n'est qu'ainsi que la conduite autonome pourra être réalisée à l'avenir". C'est pour cette raison que l'industrie automobile utilise depuis des années les séries de connecteurs MTD et H-MTD de Rosenberger. "Il en va de même dans l'automatisation industrielle", explique Thomas Keller : "Les conditions extrêmes, comme les grandes plages de température à couvrir, les chocs et les vibrations, la protection IPx contre la poussière et l'humidité, ainsi que la miniaturisation, jouent un rôle important dans la conception de la connectique". Rosenberger soutient les futures solutions d'automatisation pour les applications Ethernet industrielles grâce aux séries de connecteurs RoSPE-HMTD et RoSPE-Industrial (IEC 63171-2 et -5), qui seront également présentées au salon SPS.

Marcel Leonhard, directeur des divisions ICT & DCF chez Telegärtner Karl Gärtner GmbH, se réjouit également du salon de Nuremberg : "Après nous être présentés pour la première fois en tant qu'alliance il y a deux ans au salon SPS 2019 de Nuremberg, nous avons enfin l'occasion, lors du SPS de cette année, de présenter au grand public ce que nous avons réalisé entre-temps". Sur le plan technique, Telegärtner a développé, comme les autres partenaires de l'Alliance, des connecteurs SPE aussi bien pour la zone IP20 que pour la zone IP67, qui seront présentés au salon SPS. Mais en même temps, souligne Marcel Leonhard, System Alliance a également développé le système SPE dans son ensemble : "Car outre les connecteurs, les câbles jouent bien sûr un rôle tout aussi important dans le système. Mais avant de pouvoir relier les câbles et les connecteurs, tout particulièrement dans le cas du SPE, il faut tester si les deux sont compatibles et fonctionnent". En effet, le marché offre une large gamme de câbles tels que AWG 22/1 à AWG 26/7, qui sont certes tous conformes à la norme IEC 61156 sur les câbles SPE, mais qui doivent être appariés avec les connecteurs. Marcel Leonhard : "Au sein de l'Alliance, les fabricants de connecteurs et de câbles ont donc collaboré, comparé les produits adéquats et les ont testés en round-robin. Car notre objectif en tant qu'Alliance SPE System est bien de faire progresser non seulement des produits individuels, mais aussi le système complet". Outre la réduction de l'espace et du poids, l'installation des composants représente un autre avantage. Marcel Leonhard : "Les connecteurs à confectionner sur le terrain sont particulièrement adaptés lorsque la longueur du tronçon de câble ne peut pas être définie à l'avance et qu'il faut déterminer la longueur du câble de manière flexible sur place. De même, il est possible de raccorder non seulement des câbles à conducteurs torsadés, mais aussi des câbles à conducteurs massifs, et ce sans outils spéciaux".

Simon Seereiner, Head of Product Management SAI & IE chez Weidmüller, explique un autre grand avantage de la technologie SPE : "En plus des données, l'énergie peut également être transmise par les câbles bifilaires". Avec Power over Data Line (PoDL), il est possible de conduire jusqu'à 60 W vers une interface tout en transmettant des données (100 Mbit). Seereiner : "C'est suffisant pour la plupart des applications de capteurs. Il est ainsi possible de mettre en place des systèmes de capteurs dans l'industrie à moindre coût, de manière simple et avec une densité élevée, ce qui conduit à augmenter les degrés d'automatisation et de mise en réseau et à réaliser des processus de plus en plus automatisés". En se concentrant clairement sur l'industrie, Weidmüller a réalisé des connecteurs de la variante IEC 63171-2 pour l'environnement IP20 et de la variante IEC 63171-5 pour l'environnement IP67. L'attention portée aux sections dans la plage AWG 26 à AWG 22 a donné naissance à des connecteurs particulièrement conviviaux, réalisés sous forme de cordons de brassage et de variantes librement confectionnables, qui seront présentés au salon SPS.

Avec un pitch de 7,62 mm, le connecteur compact est deux fois plus petit qu'un connecteur RJ45, de sorte qu'il est désormais possible de raccorder dix connecteurs SPE à des appareils qui comptaient jusqu'à présent cinq connecteurs RJ45. Le gain de place des connecteurs est un grand avantage, mais, selon Simon Seereiner : "Un avantage bien plus important du SPE est que, grâce à l'architecture transparente, les machines peuvent être commandées et exploitées beaucoup plus efficacement. Cela permet d'économiser d'énormes coûts lors du paramétrage, de la mise en service et de l'exécution du travail. Lors d'une simulation que nous avons réalisée, l'utilisation de SPE nous a permis de réduire les coûts d'exploitation de 18%". L'Alliance SPE System ne représente donc pas un système de connecteurs ou un produit particulier, ses activités sont plutôt axées sur l'ensemble du futur écosystème SPE. Grâce au succès de l'Alliance, le Single Pair Ethernet Consortium (SPEC) de la TIA et l'Alliance Single Pair Ethernet System ont récemment uni leurs forces pour informer ensemble le marché mondial des avantages de la technologie SPE.

Parallèlement, l'Alliance permet aux entreprises participantes d'acquérir plus rapidement le savoir-faire nécessaire à une mise en œuvre plus rapide et plus fiable de l'Ethernet à simple paire dans les produits. "Ces partenaires ont pour mission d'amener l'Ethernet à simple paire sur le marché en tant qu'infrastructure de bout en bout", explique Simon Seereiner de Weidmüller. Et Verena Neuhaus de Phoenix Contact d'ajouter : "L'Alliance SPE et ses membres font avancer la technologie dans son ensemble - et cela inclut bien plus qu'un connecteur".

À propos de Telegärtner :
Fondée en 1945, Telegärtner est un fournisseur mondial de solutions complètes et professionnelles dans le domaine de la connectique et de la transmission et compte parmi les plus grands fabricants. Cette entreprise familiale riche en traditions est déjà dirigée par la troisième génération. Le groupe, qui emploie environ 660 personnes dans le monde, a réalisé un chiffre d'affaires annuel allant jusqu'à 100 millions d'euros.

Contact presse:
Thomas Keller
Mitglied des Vorstand Single Pair Ethernet System Alliance
eMail: thomas.keller@rosenberger.de
Tel: 0049-8684-18-1952