Ajouter Industrial Ethernet de manière rapide et rentable aux équipements Industrie 4.0

Les concepteurs d'usines intelligentes pour l'Industrie 4.0 et l'Internet industriel des objets (IIoT) doivent pouvoir déployer rapidement des interfaces réseau d'automatisation et de contrôle à la fois compactes, robustes, à faible latence et basse consommation. Les exigences de performances sont de plus en plus satisfaites par Industrial Ethernet (IE), qui utilise des protocoles comme PROFINET, EtherNet/IP ou EtherCAT encapsulés dans le protocole Ethernet, ainsi qu'une couche de contrôle d'accès au support (MAC) modifiée pour fournir la faible latence et les performances en temps réel exigées par les équipements de l'Industrie 4.0.

Toutefois, il peut être délicat de rassembler tous les composants nécessaires à une implémentation IE flexible tout en veillant à ce que le logiciel IE soit certifié pour garantir un fonctionnement et une interopérabilité fiables.

Il existe également des défis liés au rendement énergétique et à l'environnement. Par exemple, les réseaux IE utilisent généralement des structures réseau linéaires ou en anneau qui présentent une longueur de câblage réduite par rapport aux réseaux en étoile. Cependant, les réseaux linéaires et en anneau nécessitent deux ports Ethernet pour chaque dispositif, ce qui fait de la dissipation de puissance au niveau de la couche physique (PHY) un élément clé à prendre en compte lors de la conception.

Étant donné les températures élevées que l'on trouve dans les environnements industriels et la nécessité d'avoir des solutions compactes, il est essentiel pour les concepteurs de gérer soigneusement le bilan de dissipation de puissance pour les implémentations IE.

Prenons l'exemple d'un port IE avec un bilan de dissipation de puissance de 2,5 watts (W) où le réseau de portes programmables par l'utilisateur (FPGA), la mémoire à double débit de données (DDR) et le commutateur Ethernet consomment 1,8 W. Cela laisse 700 milliwatts (mW) disponibles pour les deux couches PHY (Figure 1).

Figure 1 : Chaque dispositif dans une architecture Ethernet linéaire (au milieu) ou en anneau (à droite) nécessite deux couches PHY (à gauche). (Source de l'image : Analog Devices)

En plus de respecter des bilans de dissipation de puissance exigeants, les équipements industriels doivent respecter plusieurs normes CEI (Commission électrotechnique internationale) ou EN (normes européennes) concernant la compatibilité électromagnétique/décharge électrostatique (CEM/DES) :

• CEI 61000-4-2, DES
• CEI 61000-4-4, transitoires électriques rapides (EFT)
• CEI 61000-4-5, surtension
• CEI 61000-4-6, immunité conduite
• EN 55032, émissions rayonnées et conduites

Les tests à réaliser pour répondre à ces normes coûtent cher et prennent du temps. Par ailleurs, si des problèmes surviennent lors des tests et de la certification, les délais de mise sur le marché sont rallongés et les coûts augmentent.

La conception de référence simplifie l'implémentation IE

Pour aider à relever les nombreux défis liés à l'implémentation IE, Analog Devices a développé la conception de référence embarquée Chronous RapID Platform Generation 2. Chronous offre un environnement de développement complet pour IE, qui inclut des solutions matérielles et logicielles vérifiées et éprouvées pour les protocoles IE populaires.

L'environnement inclut deux couches PHY Ethernet, ce qui en fait un outil adapté pour une utilisation dans les dispositifs en réseau avec des topologies linéaires ou en anneau. Trois cartes sont disponibles, avec des logiciels pré-certifiés pour EtherCAT (EV-RPG2-ECZ), EtherNet/IP (EV-RPG2-ENZ) et PROFINET (EV-RPG2-PNZ). Les kits d'évaluation EV-RPG2 (Figure 2) offrent un environnement de développement complet, incluant les éléments suivants :

• Carte de base avec le module ADIN2299 RapID Generation 2 et logiciel de protocole certifié
• Adaptateur CA à montage mural avec adaptateurs de prise universels
• Câble USB A mâle vers USB micro B mâle
• Câble Ethernet

Figure 2 : Les kits d'évaluation EV-RPG2 incluent tous les éléments requis pour déployer rapidement des dispositifs en réseau IE. (Source de l'image : Analog Devices)

Les kits de développement EV-RPG2 permettent aux concepteurs de vérifier rapidement le chemin de communication entre un processeur hôte et un dispositif d'usine intelligente, comme un contrôleur logique programmable (PLC), avant l'intégration. Outre le logiciel pré-testé, le kit EV-RPG2 présente une basse consommation, a été testé dans le cadre des normes CEI et EN concernées, et prend en charge la personnalisation pour divers cas d'utilisation.

Le module ADIN2299 présente un format compact pour les applications embarquées, ainsi qu'une basse consommation et une faible latence. Il s'agit d'une solution pré-testée complète qui gère le protocole industriel et le trafic réseau pour un processeur d'applications, et qui accélère l'intégration IE dans les dispositifs sur le terrain. Le module inclut un contrôleur de communication, une pile de protocoles, une mémoire Flash, une mémoire RAM, un contrôleur suiveur et deux interfaces PHY, ainsi que le logiciel spécifique nécessaire pour les réseaux EtherCAT, PROFINET temps réel (RT) ou isochrone temps réel (IRT) et EtherNet/IP (Figure 3).

Figure 3 : Le module ADIN2299 présente un format compact pour les applications embarquées et deux couches PHY Ethernet (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

La couche PHY dans le module IE embarqué ADIN2299 utilise deux émetteurs-récepteurs Ethernet basse consommation à un seul port, 10 mégabits par seconde (Mb/s) et 100 Mb/s ADIN1200. L'ADIN1200 présente un cœur PHY Ethernet écoénergétique, des circuits analogiques, une mise en tampon d'horloge d'entrée et de sortie, une interface de gestion et des registres de sous-système, une interface MAC et une logique de commande. L'ADIN1200 inclut également les fonctionnalités suivantes :

• Conformité 10BASE-Te/100BASE-TX IEEE 802.3
• Interfaces MAC MII, RMII et RGMII
  • Latence 100BASE-TX RGMII : transmission < 124 nanosecondes (ns), réception < 250 ns
  • Latence 100BASE-TX MII : transmission < 52 ns, réception < 248 ns
• Conformité aux normes suivantes :
  • CEI 61000-4-4, transitoires électriques rapides (EFT) (±4 kilovolts [kV])
  • CEI 61000-4-5, surtension (±4 kV)
  • CEI 61000-4-6, immunité conduite
  • EN55032, émissions rayonnées et conduites (classe A)
• Plage de températures ambiantes de fonctionnement de -40°C à +105°C
• Consommation de 139 mW pour 100BASE-TX à 1,8 volt (V)
• Boîtier LFCSP à 32 sorties de 5 millimètres (mm) × 5 mm (Figure 4)

Figure 4 : Les émetteurs-récepteurs Ethernet ADIN1200 sont robustes, et leur boîtier LFCSP de 5 mm² prend en charge des solutions compactes. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les protocoles IE tels que PROFINET, EtherNet/IP et EtherCAT répondent aux besoins des interfaces réseau d'automatisation et de contrôle à faible latence pour l'Industrie 4.0. Pour accélérer le déploiement IE et réduire les coûts tout en garantissant l'interopérabilité, Analog Devices propose une conception de référence avec des couches PHY efficaces et une suite complète d'outils logiciels pré-certifiés.

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