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.
