RÉSEAUX : DU PDG À L’AUTOMATE INDUSTRIEL, UNE SEULE TECHNOLOGIE : ETHERNET

DEPUIS PLUSIEURS ANNÉES, LES AUTOMATES PILOTENT LES PROCESSUS EN S’APPUYANT SUR DES RÉSEAUX QUI REPOSENT SUR DIFFÉRENTES DÉCLINAISONS D’ETHERNET. RECONNUE POUR SA FIABILITÉ ET SON ÉVOLUTIVITÉ CETTE TECHNOLOGIE VENUE DE L’INFORMATIQUE, EST LE PASSAGE OBLIGÉ QUI DEMAIN, CONDUIRA L’USINE CONNECTÉE VERS L’INTERNET INDUSTRIEL DES OBJETS ET LE CLOUD. REVUE DE DÉTAIL…
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La différence fondamentale lorsqu’on considère un réseau Ethernet en tant que système servant à piloter des processus industriels, se situe au niveau de l’approche retenue pour garantir le transfert des données dans une démarche de performances aussi proche que possible du temps réel.

Les commandes acheminées vers les équipements de production comme les informations qui remontent de ces derniers – spécialement celles qui relèvent de la sûreté de fonctionnement – doivent impérativement circuler entre les terminaisons avec des délais connus à l’avance. Pour y parvenir, les réseaux industriels qui s’inspirent d’Ethernet, ont recours à des mesures préventives particulières visant à minimiser les risques de collisions entre les trains d’information. Dans la plupart des applications en temps réel, l’acheminement des signaux doit être réalisé dans les écarts de temps que l’on qualifie de déterministes.

Il existe sensiblement trois approches pour proposer une solution favorisant le temps réel dans un réseau Ethernet. On trouve des protocoles basés sur des couches TCP/ IP standard avec des mécanismes temps réel exclusivement intégrés dans la couche supérieure avec des performances qui se trouvent limitées par les mécanismes transactionnels inhérents qui en découlent. Viennent ensuite les protocoles qui sont implémentés au-dessus des couches du réseau Ethernet tel qu’il est normalisé par l’IEEE sous la référence 802.3, avec l’assurance d’être en mesure de profiter de l’évolution du standard au prix d’un investissement limité. Enfin, certaines solutions s’appuient sur Ethernet en tant que modèle de développement mais avec des modifications substantielles qui impactent autant l’infrastructure du réseau que le mécanisme de communication transactionnel sur lequel repose le standard. Il s’agit ici, de garantir un niveau de performances aussi élevé que possible au regard du débit supporté par la couche physique.

DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE TRANSMISSION

Les systèmes mis en œuvre dans le cadre des protocoles Ethernet industriels, utilisent principalement trois mécanismes distincts pour assurer l’accès au réseau en même temps que la synchronisation des données : le contrôle d’accès au réseau par un maître, le recours à des commutateurs synchronisés ou encore, le recours à des équipements mettant en œuvre le protocole CIP Sync (Common Industrial Protocole for Synchronization) normalisé par l’IEEE sous la référence 1588. Parmi les nombreuses variantes de réseaux adaptés aux exigences des installations industrielles, quatre solutions se sont imposées au fi l du temps : Ethernet/IP, EtherCAT, Profi net et Powerlink.

Ethernet/IP

Initialement lancé en 2000, Ethernet/IP est un standard industriel ouvert développé par les équipes de la société Allen-Bradley devenue une fi liale de Rockwell Automation. Pour l’essentiel, il s’agit d’un portage du protocole applicatif, Common Industrial Protocol (CIP) sur le standard de communication Ethernet.

Ethernet/IP fonctionne sur du matériel Ethernet standard et repose sur les piles de communication et de routage TCP/IP et UDP/IP pour l’acheminement des données. Ethernet/IP supporte plusieurs mécanismes de communication comme la surveillance cyclique et les déclenchements temporels ou événementiels, la diffusion simultanée vers plusieurs terminaisons (multicast) et les connexions point-à-point. Alors que les messages sont intégrés dans des trames TCP, les données d’application temps réel sont envoyées via UDP qui allège la charge du réseau et réduit les temps d’acheminement. Constituant le centre d’un réseau en étoile, les commutateurs empêchent les collisions de données. Ethernet/IP atteint généralement une performance temps réel souple avec des temps de cycle d’environ 10 millisecondes. CIP Sync et CIP Motion ainsi que la synchronisation précise des nœuds via des horloges dont la distribution est conforme à la norme IEEE 1588, sont mis à contribution pour s’approcher de temps de cycle suffi samment faibles pour permettre le contrôle de moteurs asservis.

EtherCAT

EtherCAT ou Ethernet for Control Automation Technology a été développé par Beckhoff Automation. Cette technologie de réseau s’appuie sur le principe de l’agrégation de trames (frame summation) : le maître EtherCAT transmet une trame unique qui traverse tous les nœuds du réseau constituant une boucle logique. Arrivée à la dernière terminaison, la trame est renvoyée.

Chaque nœud lit les informations qui lui sont adressées et réinsère les données de réponse dans la trame. La bande passante de 100 Mbits/s impose d’avoir recours à un équipement capable de traiter les données à la volée avec la plus grande célérité, ce qui passe par l’intégration de circuits à haute performance (ASIC ou FPGA). Les instructions pour chaque nœud résident dans la zone de données de la trame EtherCAT qui, outre cette charge utile, se compose d’un en-tête et de plusieurs commandes. Chacune commande qui s’adresse à une terminaison clairement identifi ée, possède son propre en-tête, des instructions et un compteur. Chaque connexion esclave fournit une horloge temps réel qui est synchronisée par le maître au moyen d’une technique similaire à celle de la norme IEEE 1588. Un ordinateur personnel ou industriel, doté d’une interface Ethernet standard est le plus souvent utilisé pour l’implémentation du maître EtherCAT. Ce protocole s’étend sur les couches 1 à 3 du modèle OSI. Les fonctionnalités requises au niveau applicatif (session, présentation, etc.) doivent être apportées par une couche de protocoles complémentaire.

Profinet

Initialement développé par Siemens, le protocole Process Field Network plus connu sous l’abréviation Profi net, se subdivise en différentes classes de performances pour couvrir les contraintes déterministes des applications de l’automatisation industrielle : Profi net RT (real-time) pour le temps réel souple, et Profi net IRT (isochronous real-time) pour le temps réel strict.

Les données des applications hautement prioritaires circulent dans des trames Ethernet et empruntent le canal réservé constitué par un réseau virtuel (VLan) tandis que les informations de signalisation, de confi guration et de diagnostic exploitent la bande passante restante via le protocole standard UDP/IP. Cette distribution permet d’atteindre des temps de cycle d’environ 10 ms pour des applications d’entrée-sortie. Pour fournir des temps de cycle inférieurs à une milliseconde et synchronisés par horloge, comme cela est requis dans les applications de contrôle de mouvements, Profi net IRT implémente un mode de multiplexage temporel basé sur des commutateurs synchrones spéciaux. Une nouvelle déclinaison de Profi net est en cours d’élaboration, va s’inspirer du principe de l’agrégation de charges. Pour réduire la quantité de données en circulation sur l’ensemble du réseau et accélérer les échanges se déroulant au niveau des équipements, cette nouvelle technique appelée Dynamic Frame Packing (DFP) voit les terminaisons soustraire les informations qui les concernent de la trame Ethernet reçue. Ainsi, le volume de cette dernière s’amenuise au fur et à mesure de sa progression entre les équipements connectés et surtout, les gains de performances obtenus permettent de viser des temps de cycles qui se calculent en dizaines de microsecondes (µs).

Powerlink

Développé par B&R, Powerlink est né en 2001, composant un système de communication purement logiciel et indépendant des fournisseurs qui garantit une performance temps réel strict tout en restant conforme à l’Ethernet normalisé (IEEE 802.3). Depuis 2008, ce protocole connaît même une déclinaison open source appelée tout simplement OpenPowerlink. Le protocole supporte la communication directe entre esclaves ainsi que la connexion « à chaud » quelle que soit la topologie du réseau. Powerlink combine des procédures de découpage temporel et de surveillance cyclique pour parvenir à un transfert isochrone des données. Afi n d’assurer la coordination, un automate ou un PC industriel est destiné à jouer le rôle de maître appelé ici, Managing Node (MN). Les autres équipements fonctionnent en tant qu’esclaves appelés, Controlled Nodes (CN).

Pendant la durée d’un cycle d’horloge, le maître envoie des requêtes de sondage (Poll Request) aux esclaves selon un ordre défi ni. Chaque terminaison répond immédiatement à cette demande (Poll Response) lisible par les autres nœuds. Un cycle se divise en trois périodes. Au démarrage », le MN envoie une trame marquant le début du cycle (SoC) à tous les CN pour synchroniser les équipements du réseau. L’échange de données isochrone cyclique a lieu durant la deuxième période dite, période cyclique ; le multiplexage permettant une utilisation optimisée de la bande passante à cette occasion. La troisième période marque le début de la phase asynchrone qui permet le transfert de paquets de données volumineux échappant aux contraintes temporelles. Ces données non déterministes circulant le plus souvent au sein de trames TCP/IP, peuvent être réparties dans une succession de trames occupant les phases asynchrones de plusieurs cycles.

Powerlink distingue donc les cas d’applications requérant le temps réel de celles qui y sont insensibles. Des routeurs séparent les données véhiculées sous TCP/IP de manière transparente des données relevant du temps réel. Powerlink couvre un large éventail de domaines de l’automatisation depuis les entrées-sortes au contrôle de mouvement, en passant par la robotique, la communication entre automates et les applications de visualisation.