L’avenir de l’automatisation passe par l’Ethernet industriel

A la différence d’un réseau informatique dédié à la gestion et à la création d’informations, un réseau industriel doit répondre à des normes de qualité de service, de sécurité et de sûreté des installations. Ces obligations imposent de travailler en temps réel ce qui conduit à l’apparition de plusieurs protocoles concurrents d’Ethernet industriel.

Lorsqu’on aborde le délicat sujet de la communication entre les systèmes de contrôle et les équipements qui composent l’outil de production opérationnel avec plusieurs spécialistes de l’automatisation, il est rarissime de les entendre parler d’une même voix.

Certes, certains paradigmes surgissent immédiatement comme les notions de temps-réel, la sécurité des personnes et des installations ou encore, la sûreté de fonctionnement. Mais quand il s’agit d’aborder le sujet de la communication proprement dite, la construction censée conduire jusqu’au Paradis de l’usine connectée s’écroule comme une vulgaire tour de Babel.

Durant la décennie qui vient de s’écouler, les bus de terrain basés sur des liaisons de type série, ont cédé le pas sous les coups de boutoir d’une technologie de communication en réseau développée pour les besoins de l’informatique dite, de gestion : Ethernet. S’agissant de faire communiquer des ordinateurs personnels avec des serveurs de fichiers et des périphériques tels qu’une imprimante ou un scanner, Ethernet se révèle un moyen peu coûteux et simple à mettre en oeuvre puisque la méthode de résolution des collisions sur laquelle reposent les transmissions de données entre les noeuds du réseau, ne s’embarrasse guère des retards aléatoires éventuels.

Des manières différentes de concevoir le temps réel

Il en va tout autrement lorsqu’il s’agit de faire communiquer des équipements industriels. 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 dans un délai connu à l’avance.

Afin d'y parvenir, les protocoles Ethernet industriels ont d’abord recours à des mesures préventives particulières visant à minimiser les risques de collisions. Dans les applications en temps réel strict, l’acheminement des signaux doit être réalisé dans les écarts de temps déterministes, c’est-à-dire, connus à l’avance. Par exemple, si un signal de bonne exécution n’est pas délivré en un temps suffisamment court, un signal de défaillance déclenchant une procédure de mise en sécurité sera automatiquement activé. Dans le cadre d’application répondant aux impératifs d’un temps réel souple, un retard dans l’écart de temps prédéterminé sera toléré. Alors que des temps de cycle de plusieurs centaines de millisecondes sont acceptés en temps réel souple (exemple, le contrôle d’une température ou d’un niveau de remplissage de cuve), les systèmes de contrôle de sûreté ou les applications de pilotage de mouvements exigent fréquemment des temps de cycle inférieurs à la milliseconde.

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 audessus 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.

Les techniques de transmission

Des différences marquantes caractérisent les principaux protocoles Ethernet industriels quant à la technique retenue pour assurer – toujours en temps réel – les échanges de données entre les noeuds du réseau.

Les protocoles EtherCAT et SERCOS III communiquent en utilisant une méthode appelée agrégation de trames (en anglais, frame summation). Durant chaque cycle, les données circulent dans une trame qui se déplace de terminaison en terminaison au sein d’un réseau respectant une topologie en anneau. Au fur et à mesure de sa progression, cette trame collecte les réponses des noeuds traversés.

À l’inverse, la méthode à trame unique (en anglais, single frame) utilisée par d’autres protocoles, véhicule des trames individualisées aux terminaisons qui répondent à l’expéditeur en créant elles aussi, leurs propres trames.

Les systèmes mis en oeuvre 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 oeuvre le protocole CIP Sync (Common Industrial Protocole for Synchronization) normalisé par l’IEEE sous la référence 1588.

Par exemple, dans les environnements obéissant au protocole Powerlink, c’est le système assurant le rôle de maître qui autorise chaque terminaison à envoyer des données. Dans le cas des réseaux mettant en oeuvre les protocoles Ethercat et Sercos III la transmission des trames agrégées obéit aux tops générés par l’horloge du maître.

Les réseaux reposant sur le protocole Profinet IRT – version en temps réel strict de ce dernier – utilisent des commutateurs (switchs) synchronisés. Enfin, on remarquera que EtherNet/IP et Modbus TCP s’appuient eux, sur des équipements compatibles avec le protocole normalisé CIP Sync.