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…
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, Profinet
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.
Profi net
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.
Thierry PIGOT
