Réduire les émissions de CO2 avec Single-Pair Ethernet

L'objectif mondial de zéro émission nette de dioxyde de carbone (CO₂) affecte tous les segments de l'industrie. Dans le cas des bâtiments, l'objectif est difficile à atteindre en raison du grand nombre de structures inefficaces sur le plan environnemental. De nombreux systèmes de contrôle et de communication installés ont une capacité de surveillance et de traitement des données limitée, et manquent généralement de capacités avancées d'analyse et de contrôle des données pour optimiser le rendement.

Atteindre zéro émission nette de CO₂ requiert des systèmes d'automatisation utilisant une analyse et un contrôle basés sur l'intelligence artificielle (IA). La clé de cette amélioration réside dans la capacité à déployer facilement des capteurs dans un bâtiment à l'aide de Single Pair Ethernet (SPE) à haut débit de données et longue portée, basé sur la norme 10BASE-T1L. Les débits de données plus élevés réduisent la latence et permettent le contrôle en temps réel des systèmes d'un bâtiment.

Cet article décrit brièvement les exigences de connectivité des bâtiments à zéro émission nette de CO₂. Il utilise ensuite des dispositifs 10BASE-T1L d'Analog Devices Inc. pour montrer comment SPE peut soutenir les améliorations en matière de communications et de contrôle tout en optimisant la durabilité.

Limites des conceptions de bâtiments traditionnelles

Les conceptions de bâtiments traditionnelles utilisent des systèmes de gestion des bâtiments (BMS) pour gérer le contrôle global de la structure, les sous-systèmes de bâtiments fonctionnant généralement de manière isolée. Les limites en matière d'interactivité des communications et de puissance disponible empêchent les bâtiments de fonctionner à un rendement de crête, ce qui entraîne des pertes qui ont un impact sur l'environnement. Prenons l'exemple de la structure hiérarchique d'un bâtiment standard (Figure 1).

Figure 1 : Les systèmes de construction traditionnels sont hiérarchiques mais peuvent être visualisés par fonction. (Source de l'image : Analog Devices Inc.)

Le niveau champ/dispositif à la base de la pyramide BMS de la Figure 1 contient des capteurs et des actionneurs locaux pour les différents systèmes. Le niveau des contrôleurs de bâtiment et de pièce consolide les données de terrain et de dispositif, et contrôle les dispositifs. Le niveau entreprise surveille l'ensemble du bâtiment et coordonne l'activité des contrôleurs via le BMS.

Les systèmes de construction traditionnels, tels que les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), ont une hiérarchie de contrôle verticale mais fonctionnent indépendamment des systèmes tels que la détection de présence. Cela signifie que quel que soit le taux d'occupation, les étages individuels continuent de consommer de l'énergie pour faire fonctionner le système CVC.

La raison de cet isolement vertical provient des performances limitées des interfaces de données existantes. Les interfaces analogiques de niveau inférieur et les interfaces série RS485 et à boucle de courant de 4 mA à 20 mA, ainsi que les interfaces de niveau supérieur telles que HART (Highway Addressable Remote Transducer) et Fieldbus, sont relativement lentes, avec des débits de 1200 bits par seconde (bits/s) à 31,25 kilobits par seconde (kb/s). Cela limite la quantité de données transmises sur une période donnée.

L'interface 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) Ethernet a été introduite en 2019 et a considérablement augmenté le taux de transmission de données, le portant à 10 mégabits par seconde (Mb/s) sur SPE. Elle permet également de fournir des niveaux de puissance beaucoup plus élevés sur les mêmes lignes de transmission de données, passant de 36 milliwatts (mW) pour les boucles de courant 4-20 mA avec HART à 500 mW (non isolé) ou 60 W max. (Tableau 1).

Tableau 1 : Caractéristiques clés de quelques réseaux d'interface de données de bâtiment courants. (Source du tableau : Art Pini, utilisant des données d'Analog Devices, Inc.)

Les interfaces de données plus lentes limitent également l'accessibilité aux capteurs et actionneurs au niveau du terrain, ce qui signifie qu'ils ne peuvent être reconfigurés que sur site. 10BASE-T1L est compatible avec toutes les implémentations Ethernet existantes et peut communiquer de manière transparente avec toutes les installations de réseau BASE-T Ethernet, y compris les variantes 10/100/1000/2.5G/5G/10G BASE-T, sans avoir besoin d'une passerelle.

Le rôle de 10BASE-T1L

10BASE-T1L fait partie de la norme plus large Ethernet 802.3. Son nom résume ses caractéristiques. « 10 » correspond au débit de transmission de 10 Mb/s et « BASE » indique un signal en bande de base, ce qui signifie que seuls les signaux Ethernet peuvent être envoyés via le support. Le « T » désigne que le support est une paire torsadée, le « 1 » représente la portée de 1 kilomètre (km) et le « L » signifie longue portée.

La spécification de support pour 10BASE-T1L n'indique pas de câble à paire torsadée particulier. Elle spécifie plutôt les pertes par réflexion et les pertes d'insertion du câblage. Cela permet la réutilisation du câblage installé existant, tel que les câbles Fieldbus Type-A.

10BASE-T1L prend en charge la communication en duplex intégral avec deux modes d'amplitude : 2,4 volts crête-à-crête (V_P-P) sur 1000 m de câble et 1,0 V_P-P pour des distances réduites jusqu'à 200 m et dans des environnements dangereux.

La norme Ethernet prévoit la distribution d'alimentation via le même câble à paire torsadée que celui utilisé pour les communications de données. Dans 10BASE-T1L, la puissance est contrôlée en fonction de la nature de l'environnement. Une puissance de 500 mW est adaptée aux zones à sécurité intrinsèque (c'est-à-dire dangereuses) où la puissance de décharge par étincelle doit être limitée. La limite supérieure de 60 W est disponible pour les zones sûres.

Avantages de 10BASE-T1L

L'avantage le plus significatif de 10BASE-T1L, après sa portée de 1 km, est sa compatibilité avec la gamme complète de réseaux Ethernet BASE-T. Cette compatibilité élimine le recours à des passerelles de conversion entre les différentes normes de réseaux de données. Cela ouvre la voie du niveau terrain aux niveaux entreprise et cloud, et réduit les coûts, la complexité et les besoins énergétiques.

La vitesse 10BASE-T1L, qui peut atteindre 10 Mb/s, permet de transmettre les valeurs de processus mesurées fondamentales aux capteurs et aux actionneurs, ainsi que des paramètres de configuration supplémentaires, des données d'état et même des mises à jour logicielles/micrologicielles. Les capteurs et les actionneurs sont accessibles à distance grâce à leurs adresses IP. La configuration des dispositifs est plus simple car les dispositifs compatibles 10BASE-T1L éliminent les passerelles et les convertisseurs de protocoles. La capacité supplémentaire de traitement des données peut également être utilisée pour des routines de diagnostic et de dépannage système plus complètes.

La capacité de données additionnelle disponible grâce au débit de données plus élevé peut également être utilisée pour relier les systèmes de bâtiments pour l'échange de données. L'analyse et le contrôle basés sur l'IA permettent une régulation complémentaire afin d'obtenir les opérations conjointes les plus efficaces. Imaginez le résultat dans un bâtiment équipé de 10BASE-T1L (Figure 2).

Figure 2 : Ajout de l'interopérabilité 10BASE-T1L, des transducteurs périphériques jusqu'au cloud. (Source de l'image : Analog Devices Inc.)

SPE pour 10BASE-T1L permet la connexion de plusieurs transducteurs et actionneurs au niveau périphérique à des contrôleurs de pièce. Les dispositifs existants liés par des interfaces héritées peuvent toujours être utilisés ou convertis pour la compatibilité Ethernet. Les systèmes sont reliés entre eux à plusieurs niveaux à l'aide de la version appropriée d'Ethernet, permettant la possibilité d'un contrôle en temps réel.

Topologies de réseau de bâtiment 10BASE-T1L

Plusieurs dispositifs peuvent être connectés au réseau SPE dans une topologie de réseau en anneau ou en ligne (Figure 3).

Figure 3 : 10BASE-T1L, comme d'autres variantes Ethernet, prend en charge les topologies en anneau et en ligne pour connecter plusieurs dispositifs. (Source de l'image : Analog Devices Inc.)

Chaque topologie offre une longueur de câble réduite par rapport à la topologie de réseau en étoile alternative. La topologie en anneau fournit en outre un chemin redondant en cas de défaillance du dispositif. Chaque dispositif requiert deux ports Ethernet pour transmettre les données sur le réseau dans l'une ou l'autre topologie.

Pour l'implémentation, les concepteurs peuvent utiliser l'ADIN2111CCPZ-R7 d'Analog Devices, un émetteur-récepteur 10BASE-T1L à deux ports basse consommation qui intègre un commutateur, deux cœurs de couche physique (PHY) Ethernet avec une interface de contrôle d'accès au support (MAC), et tous les circuits associés, y compris les files d'attente tampons internes. Il est directement contrôlé via une interface périphérique série (SPI). L'interface SPI est compatible avec de nombreux contrôleurs, permettant une sélection aisée qui maximise les performances, la consommation d'énergie et le prix. Le commutateur prend en charge de nombreuses configurations de routage avec les ports Ethernet et SPI doubles, permettant des topologies de réseaux en ligne ou en anneau. Le fait que le commutateur 10BASE-T1L contienne une interface MAC implique que le contrôleur n'a pas besoin d'en inclure une, ce qui augmente le nombre de contrôleurs potentiels pouvant être choisis. La Figure 3 montre les topologies en anneau et en ligne utilisant l'ADIN2111CCPZ-R7 comme commutateur à deux ports.

La configuration en anneau utilise un commutateur double pour tous les dispositifs. La configuration en ligne n'a pas besoin d'un commutateur double, car le dernier dispositif ne requiert qu'un seul émetteur-récepteur MAC-PHY comme l'ADIN1110CCPZ. Comme le commutateur, cet émetteur-récepteur Ethernet inclut une interface MAC et prend donc en charge une gamme plus étendue de contrôleurs homologues. Cela ouvre la connectivité Ethernet longue portée à de nombreux contrôleurs basse consommation et moins chers. Une interface MAC intégrée peut également permettre l'utilisation de contrôleurs existants si 10BASE-T1L est installé dans un BMS existant. Chaque transducteur ou actionneur aura son contrôleur et son accès à Ethernet via les émetteurs-récepteurs, lui attribuant une adresse IP.

Si l'on considère le côté contrôleur de l'anneau et les branches du réseau en ligne dans la Figure 3, l'émetteur-récepteur Ethernet ADIN1100CCPZ-R7 est un bon choix. Cet émetteur-récepteur n'inclut pas d'interface MAC, juste une couche PHY Ethernet. L'ADIN1100CCPZ-R7 est conçu pour fonctionner avec des contrôleurs qui intègrent la fonctionnalité MAC comme ceux utilisés dans le panneau de commande illustré. Il interagit avec le processeur de contrôle à distance via une interface MDIO (Management Data Input/Output). L'interface MDIO est une interface série à deux fils pour la communication entre l'interface MAC d'un processeur hôte et l'ADIN1100CCPZ-R7.

Tous les dispositifs de la série ADIN1100 sont conçus pour fonctionner sur une longueur de câble jusqu'à 1700 m, soit plus que la spécification 10BASE-T1L. Ils sont également conçus pour fonctionner sur une plage de températures nominales de -40°C à +85°C. Les modèles homologués (CCPZ) ont une plage de températures étendue de -40°C à +105°C.

Alimentation via SPE

L'alimentation des dispositifs de terrain à distance peut s'avérer problématique, en particulier lors de la modernisation des systèmes existants. La spécification 10BASE-T1L prend en charge SPoE (Single-Pair Power over Ethernet), qui fournit une alimentation standardisée et des données Ethernet sur un câble à paire torsadée unique. Pour cette fonction, les concepteurs peuvent utiliser le LTC4296AUK-1-PBF, un contrôleur d'équipement émetteur d'alimentation (PSE) à cinq ports (Figure 4). Il est conçu pour l'interopérabilité avec les dispositifs alimentés par 802.3cg (PD) utilisant des systèmes 24 V ou 54 V pouvant être facilement intégrés dans les produits 10BASE-T1L série ADIN.

Figure 4 : Le LTC4296AUK-1 est utilisé comme contrôleur PSE à cinq ports. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Cet exemple d'application du LTC4296AUK-1 alimente cinq instances de l'émetteur-récepteur Ethernet ADIN1100 via les réseaux de couplage d'alimentation transformateur/condensateur. Les dispositifs ADIN1100 sont chacun commandés par une interface MAC MII. Chaque PSE est protégé par un limiteur de courant automatique (ACL) haut potentiel pour une protection contrôlée contre les courants d'appel et les courts-circuits. Le LTC4296AUK-1 a une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C.

Conclusion

Une transition numérique accrue des bâtiments permettra aux systèmes de gestion d'accéder à toutes les données de capteurs et à toutes les capacités de contrôle, et l'interconnexion des systèmes de bâtiment constituera la base de l'automatisation opérationnelle. À cette fin, 10BASE-T1L sur SPE apporte des taux de transmission de données de 10 Mb/s, une longue portée atteignant 1 km et une connectivité Ethernet IP standard dans chaque recoin d'un bâtiment. Les contrôleurs de bâtiments peuvent désormais atteindre une portée plus étendue depuis le cloud vers un nombre pratiquement illimité de périphériques. Cela permet d'optimiser les opérations globales d'un bâtiment afin de réduire les émissions de CO₂ tout en répondant au mieux aux besoins de ses occupants.