Révolutionner l'immotique avec 10BASE-T1L

Le domaine de l'immotique a connu de spectaculaires avancées ces dernières années, ce qui a permis une gestion plus efficace des bâtiments commerciaux et résidentiels.

Aujourd'hui, on constate un besoin généralisé de systèmes efficaces et durables pour rendre les bâtiments plus sains pour les occupants tout en minimisant la consommation d'énergie et en augmentant les capacités de contrôle et de débit de données en temps réel.

Les défis de l'immotique

Les concepteurs et les intégrateurs de systèmes sont confrontés à plusieurs défis posés par l'immotique, notamment les suivants :

• Obsolescence rapide des technologies : les systèmes existants peuvent devenir obsolètes en raison des évolutions technologiques rapides, entraînant une réduction des fonctionnalités, du support et de l'intégration avec les nouvelles technologies.
• Exigences de rendement et de durabilité : le rendement énergétique, l'amélioration de la détection/du diagnostic des défaillances, la surveillance de la qualité de l'environnement intérieur (IEQ) et la gestion des ressources en eau sont autant de nécessités pour les propriétaires et les exploitants de bâtiments.
• Analyse et optimisation des données : les tendances modernes en matière d'analyse et d'optimisation des données nécessitent l'intégration de capacités de collecte, d'analyse et d'interprétation des données dans les systèmes immotiques Cela ouvre la voie à l'optimisation des performances des bâtiments en fonction des données, à la détection des inefficacités et à la mise en œuvre d'actions correctives.
• Interopérabilité : il est difficile de garantir la compatibilité et l'intégration entre les systèmes proposés par différents fournisseurs. De plus, le rendement d'un système peut être compromis par des incompatibilités, des protocoles propriétaires et un manque de standardisation.

Comme illustré à la Figure 1, la solution à ces problèmes passe par des bâtiments intelligents présentant les capacités suivantes :

• Permettre une configuration et une gestion centralisées au niveau de l'entreprise via une connexion cloud
• Éliminer la dépendance aux passerelles de traduction au niveau du contrôleur
• Déplacer l'intelligence en périphérie, pour permettre aux capteurs et aux actionneurs d'échanger un volume élevé de données

Figure 1 : Fournir aux bâtiments une connectivité périphérie-cloud interopérable. (Source : ADI)

La communication de données revêt une importance croissante dans les domaines de l'automatisation industrielle et de l'immotique. L'augmentation actuelle des volumes de données fait prendre conscience que les solutions traditionnelles approchent de leurs limites physiologiques. C'est pourquoi Ethernet s'impose comme la norme de communication dominante. La solution Ethernet à 4 fils conventionnelle s'est transformée en une solution à 2 fils appelée 10BASE-T1L, qui comprend une seule paire de fils torsadés.

Comment la norme 10BASE-T1L favorise le changement

L'introduction en 2019 de la spécification IEEE 802.3cg 10BASE-T1L a résolu plusieurs problèmes de communication dans l'industrie et la gestion des bâtiments en permettant des communications en duplex intégral à 10 Mbps jusqu'à 1000 mètres sur une seule paire de fils torsadés.

La norme 10BASE-T1L permet de surmonter plusieurs limitations des systèmes de communication traditionnels, notamment les limitations liées au câblage, à la bande passante, à la distance et à l'alimentation dans le domaine de l'immotique. Voici un aperçu de la manière dont la norme 10BASE-T1L répond à ces limitations :

• Câblage : la norme 10BASE-T1L permet une connectivité Ethernet transparente pour les dispositifs de terrain tels que les capteurs et les actionneurs en fournissant une solution de couche physique capable de transmettre l'alimentation et les signaux Ethernet sur une seule paire torsadée. Cela élimine le recours à une infrastructure de câblage complexe et coûteuse, et facilite ainsi le déploiement et l'installation de l'immotique en réseau Ethernet. En outre, les paquets Ethernet peuvent passer directement de la périphérie au cloud, éliminant ainsi le besoin de transposition de passerelle.
• Bande passante : la norme 10BASE-T1L prend en charge des taux de transfert de données atteignant 10 Mbps, ce qui est suffisant pour une variété d'applications immotiques. Cette bande passante est supérieure à celle des bus de terrain conventionnels (où elle est limitée à quelques kbps) et permet de transmettre des valeurs depuis les capteurs ou directement vers les actionneurs, ainsi que des paramètres de dispositif supplémentaires tels que des données de configuration et de paramétrage.
• Distance : la capacité de la norme 10BASE-T1L à prendre en charge les connexions Ethernet longue distance est l'un de ses principaux avantages. Des connexions sur une distance jusqu'à 1 kilomètre sont possibles, ce qui dépasse considérablement la capacité de la norme Ethernet traditionnelle. Elle convient donc aux applications dans lesquelles les dispositifs sont dispersés sur de vastes zones, telles que les installations industrielles et les usines d'assemblage automobile.

En outre, en raison de sa faible consommation d'énergie, la norme 10BASE-T1L est destinée à être utilisée dans les environnements où les ressources énergétiques sont limitées. Cette caractéristique est d'une importance capitale dans les dispositifs de terrain, où la durée de vie des batteries et la consommation d'énergie sont critiques.

Dans certains cas, il est nécessaire de fournir à la fois les données et l'alimentation (jusqu'à 60 W dans les zones sans sécurité intrinsèque) via 10BASE-T1L, comme défini dans la norme. 10BASE-T1L prend en charge deux modes d'amplitude : 2,4 V pour des longueurs de câble jusqu'à 1000 m et 1,0 V pour des longueurs plus courtes jusqu'à 200 m. Grâce au mode d'amplitude crête-à-crête de 1,0 V, cette technologie peut également être utilisée dans les environnements protégés contre les explosions (zones dangereuses) et répond aux exigences strictes de consommation de courant maximum applicables (la puissance maximum est limitée à 500 mW).

Cas d'utilisation de référence

Un cas d'utilisation typique de la norme 10BASE-T1L est illustré à la Figure 2. Cette application de bâtiment intelligent exploite les propriétés de 10BASE-T1L pour collecter et agréger des données à différents niveaux, depuis le nœud d'extrémité (capteurs et actionneurs) jusqu'au niveau entreprise/informatique sur le cloud.

Les contrôleurs d'ambiance peuvent avoir des connexions directes (point-à-point) avec les dispositifs de terrain ou se connecter à une série de dispositifs reliés en chaîne. De plus, chaque contrôleur d'ambiance peut être configuré pour accepter des connexions de dispositifs existants.

Chaque bâtiment possède son contrôleur de site, qui est connecté à une multitude de contrôleurs d'ambiance via des liaisons 10BASE-T1L ainsi qu'aux contrôleurs de site d'autres bâtiments via 100 Mb/Gb Industrial Ethernet.

Pour une connexion à courte portée aux capteurs et actionneurs (jusqu'à 25 mètres), comme dans le cas du contrôleur de cabine d'ascenseur à droite dans la Figure 2, la norme 10BASE-T1S est plus appropriée.

Figure 2 : Cas d'utilisation de bâtiment intelligent. (Source : ADI)

Émetteur-récepteur 10BASE-T1L

Analog Devices a développé l'ADIN1110, un émetteur-récepteur 10BASE-T1L à un port ultrabasse consommation, adapté aux applications basées Ethernet dans l'automatisation industrielle et l'immotique. Il est conforme à la norme Ethernet IEEE 802.3cg-2019 pour Single Pair Ethernet (SPE) 10 Mbps longue portée, et a été conçu pour une utilisation dans ces applications.

Comme illustré à la Figure 3, le composant intègre une interface MAC. Cela permet d'établir un contact direct avec plusieurs contrôleurs hôtes à l'aide d'une interface périphérique série (SPI) qui utilise quatre fils. L'interface SPI permet d'utiliser des processeurs avec une consommation d'énergie réduite car aucune interface MAC intégrée n'est requise, ce qui se traduit par une faible consommation d'énergie globale du système. Le protocole Open Alliance SPI et un protocole SPI générique sont disponibles en tant qu'options à utiliser avec SPI lors de sa configuration.

L'ADIN1110 intègre des circuits de surveillance de l'alimentation en tension et de réinitialisation à la mise sous tension (POR) pour améliorer la robustesse au niveau du système. Il présente également une faible consommation d'énergie (typiquement 42 mW) et prend en charge les niveaux de transmission 1 VPP et 2,4 VPP, ainsi que l'auto-négociation et 16 adresses MAC pour le filtrage de trames.

Figure 3 : Schéma fonctionnel de l'émetteur-récepteur MAC PHY ADIN1110. (Source : ADI)

La portée plus étendue de 10BASE-T1L permet d'installer des dispositifs d'automatisation dans des bâtiments plus grands tout en conservant une connectivité transparente. Grâce à cette flexibilité et à cette évolutivité, les responsables de sites peuvent facilement surveiller et modifier les paramètres d'applications telles que l'éclairage, le contrôle CVC, la sécurité et la gestion de l'énergie.

De plus, le taux de transmission de données accru de 10BASE-T1L permet la surveillance et le contrôle en temps réel des systèmes du bâtiment, ce qui se traduit par une plus grande efficacité opérationnelle. Le temps de réponse, la latence et la fiabilité des communications des dispositifs d'automatisation sont tous améliorés par cette technologie.

Commutateur 10BASE-T1L Ethernet

Comme la norme Ethernet, 10BASE-T1L fournit des commutateurs pour connecter divers segments et dispositifs réseau. Différentes topologies de réseau peuvent être développées et utilisées pour alimenter les dispositifs connectés. Dans l'immotique, les commutateurs sont souvent connectés à des contrôleurs, des capteurs et des actionneurs. Pour une plus grande disponibilité, les commutateurs permettent la redondance des médias sous la forme de topologies en anneau.

À cette fin, Analog Devices a développé l'ADIN2111, un commutateur à deux ports 10BASE-T1L Ethernet complet, conçu pour les réseaux d'immotique (Figure 4). En ajoutant une connectivité Ethernet longue portée aux contrôleurs, capteurs et actionneurs, le dispositif convient à une utilisation dans les petits dispositifs périphériques à puissance limitée. L'ADIN2111 permet d'économiser jusqu'à 50 % d'énergie et jusqu'à 75 % d'espace carte par rapport aux implémentations discrètes.

Figure 4 : Schéma fonctionnel de l'ADIN2111. (Source : ADI)

L'ADIN2111 est conçu à la fois pour les réseaux en chaîne en anneau et en ligne, en utilisant l'infrastructure de câblage à paire torsadée unique existante dans les bâtiments, réduisant ainsi les coûts de mise à niveau. La Figure 5 montre comment plusieurs dispositifs peuvent être connectés pour mettre en œuvre des topologies en anneau (en haut) et en ligne (en bas). Notez que le dernier capteur périphérique est connecté à un émetteur-récepteur avec PHY et MAC, tandis que les deux autres sont connectés à un commutateur.

Figure 5 : L'ADIN2111 10BASE-T1L prend en charge plusieurs topologies pour une flexibilité de conception et une évolutivité maximales. (Source : ADI)

Équipé d'une table de correspondance MAC à 16 adresses, le commutateur 10BASE-T1L prend en charge les opérations de transfert et de stockage et à la volée (« Cut-Through »), permettant aux utilisateurs de donner la priorité à la latence ou à la gestion des erreurs lors du traitement et du transfert des paquets de données. Le filtrage avancé des paquets libère le processeur de la gestion du trafic prioritaire.

Le commutateur intègre des capacités de diagnostic sophistiquées qui réduisent les délais d'installation et de mise en service ainsi que les défaillances du système. Ces capacités incluent un indicateur de qualité de liaison avec erreur quadratique moyenne (MSE), des diagnostics de liaison et des modes de test IEEE, ainsi qu'une détection des défaillances de câble avec réflectométrie dans le domaine temporel (TDR). Cette solution de diagnostic est composée d'un moteur TDR intégré haute précision et d'un ensemble d'algorithmes exécutés sur un microcontrôleur hôte, permettant une flexibilité maximale pour un large éventail de câbles et des capacités de diagnostic de câble plus avancées.

Conforme à la norme IEEE 802.3cg, cette solution prend en charge la connectivité Ethernet sur 1,7 km de câblage, la redondance en anneau et les protocoles logiciels, notamment Modbus/TCP, BACnet/IP et KNX en temps réel. L'ADIN2111 peut également être utilisé comme répéteur dans une configuration non administrée pour étendre la portée jusqu'à 2000 mètres et au-delà.

Conclusion

L'introduction de 10BASE-T1L a créé de nouvelles opportunités pour l'immotique, en révolutionnant la manière dont les espaces commerciaux et résidentiels sont gérés et contrôlés. Cette solution est idéale pour implémenter des solutions d'automatisation en raison de sa capacité à tirer parti de l'infrastructure existante, à offrir une grande flexibilité et à améliorer la transmission des données.