Le standard de communication Ethernet TSN que l’IEEE s’apprête
à normaliser, doit apporter des mécanismes permettant de
réaliser des communications en temps réel sur les réseaux
câblés des entreprises. Dans les usines, EtherCAT est l’un des
bus de terrain utilisé pour l’interconnexion des machines et des
équipements de production. L’intégration de segments EtherCAT
dans un réseau TSN peut combiner les avantages de ces deux
technologies.
L’abréviation TSN qui vient de l’anglais, Time Sensitive Networking, entre progressivement dans le langage
courant des ingénieurs depuis que l’IEEE 1
a créé un groupe de travail chargé d’en
normaliser les principes de fonctionnement.
Comme son nom permet de le supposer,
cette technologie de communication doit
fournir des services déterministes, c’est-à-
dire, permettre l’acheminement de données
dans un cadre prévisible à l’intérieur d’un
espace de temps connu. Sous la déclinaison
Ethernet TSN, cette technologie peut
être utilisée dans diverses applications,
qui vont des installations industrielles aux
systèmes de diffusion de flux audio-vidéo
en passant par les télécommunications, la
gestion des paramètres de fonctionnement
des équipements et des données
d’environnement dans les véhicules
autopilotés, etc.
Pour sa part, EtherCAT, abréviation venant
de l’anglais Ethernet for Control Automation
Technology, est un bus de terrain qui a
la particularité d’être orienté temps réel,
en utilisant certaines couches physiques
d’Ethernet, le plus souvent sur des liaisons 100Base-T (100 Mbits/s) et plus récemment,
1000Base-T (1 Gbit/s).
LES PRINCIPES DE TSN
EN BREF
Le groupe de travail TSN fait partie du
groupe normalisateur IEEE 802.1, qui
est chargé des réseaux commutés. Très
grossièrement, on peut dire que le Time
Sensitive Networking réduit sans perte, les
délais de transmissions des trames pour
une part du trafic traitée comme prioritaire,
tandis que le reste des données est acheminé au mieux des possibilités.
Cette approche implique de changer les
règles supervisant la commutation. Cela ne
remet pas en cause certaines faiblesses des
liaisons Ethernet telles que leur moindre
efficacité quand il faut véhiculer de faibles
quantités de données entre les terminaux
ou leurs processus d’acheminement flexibles
mais relativement chronophages.
La communication entre les terminaisons
dans un réseau TSN est réalisée par flux. Un
flux est une communication unidirectionnelle
qui va d’un émetteur à un ou plusieurs
destinataires. L’identification d’un flux de
données peut être réalisée en s’appuyant sur
la ou les adresses MAC de destination et son
numéro de réseau virtuel (VLan).
Plusieurs projets de normalisation ont été
proposés afin d’améliorer les solutions
applicables aux Ethernet industriels. Un
premier effort porte sur une meilleure
distribution des signaux de synchronisation
des horloges et sur la capacité à gérer
simultanément plusieurs bases de temps au
niveau des terminaux.
Le contrôle temporel des expéditions
joue un rôle déterminant dans le Time
Sensitive Networking. Comme sur les routes
physiques, les voies de communication
peuvent être encombrées. En conséquence,
même avec la priorisation des données ainsi
que les mécanismes déterministes et de
réservation de bande passante, les temps
de transmission peuvent varier. Puisque les
flux sont transmis de manière cyclique, une
communication fluide peut être assurée en
bloquant les données non-critiques, avant
le début de la communication cyclique.
La planification cyclique (IEEE 802.1Qch)
transmet uniquement les messages urgents
dans le voisinage immédiat au cours de
chaque cycle. Ce mécanisme est d’autant
plus avantageux que le nombre de réseaux
en cascade est faible.
Bien que les normes internationales
prévoient déjà des protocoles spécifiques
pour la redondance, tels que, HSR (HighAvailability Seamless Redundancy) ou
PRP (Parallel Redundancy Protocol), ils
nécessitent un échange de données complet
entre les terminaux. La redondance dans les
réseaux IEEE 802 ne s’applique qu’aux flux de
données critiques. Cela permet de réduire les
coûts d’administration.
Un protocole de réservation de flux est
défini dans la norme IEEE 802.1 mais il
comporte des limitations incompatibles avec
les communications planifiées. Le protocole
IEEE 802.1Qcc a été pressenti pour étendre
et améliorer les techniques de réservations
existantes, ce qui pourrait ne pas suffire pour
répondre à toutes les exigences attendues
du Time Sensitive Neworking. Différentes
propositions ont été faites pour garantir le
niveau de performance requis. Cela va d’un
modèle distribué, qui ne délivre pas toujours
des performances optimales mais confère
plus de flexibilité, à un modèle de gestion
centralisée des flux, plus efficace mais qui
peut limiter les possibilités de modifications
du profil des flux lors de la transmission.
LES PRINCIPES
D’ETHERCAT EN BREF
Avec EtherCAT, la trame Ethernet
standard conforme à la norme IEEE 802.3,
n’est plus reçue, interprétée et copiée
en tant que données sur chaque nœud.
Distribués au sein d’une typologie en
anneau, les esclaves EtherCAT lisent les
données qui leur sont adressées, lorsque
le contenu utile, appelé télégramme les
traverse : les données sont alors traitées
à la volée. De même, les données à
transmettre sont insérées lors du passage
du télégramme. Le traitement des
données peut commencer sans que la
trame soit complètement reçue. En règle
générale, l’ensemble du réseau peut être
opéré avec une seule trame.
Le protocole EtherCAT est optimisé pour
les données des processus industriels.
Il est transporté directement dans une
trame Ethernet standard et il peut être
constitué de plusieurs sous-télégrammes,
chacun desservant une zone de mémoire
particulière de l’image logique des
processus qui peut atteindre 4 Go. La
séquence de données est indépendante
de l’ordre physique des nœuds du réseau
et l’adressage peut adopter n’importe
quel ordre. La diffusion, la multidiffusion
et la communication entre esclaves sont
possibles, mais doivent être initiées par le
périphérique maître. Si un routage IP est
requis, le protocole EtherCAT peut être
inséré dans les datagrammes UDP/IP, ce
qui, à l’inverse, permet à tout système de
contrôle utilisant les mêmes protocoles
d’adresser des systèmes EtherCAT.
Des temps de cycle courts peuvent être
atteints puisque les microprocesseurs des esclaves ne participent pas au traitement
des paquets Ethernet. Autrement dit,
les mécanismes de la communication
sont gérés dans la puce du contrôleur
de l’esclave. Associé à son mode de
fonctionnement, cela fait d’EtherCAT un
système d’entrées-sorties distribuées
à hautes performances. En général,
l’échange de données avec environ 1 000
entrées-sorties numériques distribuées
prend environ 30 μs, ce qui correspond
à un transfert Ethernet de 125 octets à la
vitesse de 100 Mbits/s.
L’utilisation de la bande passante est
maximisée, chaque nœud et chaque
donnée ne nécessitant pas de trame
séparée. Ainsi, des temps de cycle qui
peuvent être inférieurs à 100 μs sont
réalisables. En utilisant les fonctions
full duplex du standard 100Base-T, il
est possible d’obtenir des débits de
données effectifs supérieurs à 100
Mbits/s puisque les esclaves se bornent
à réaliser des dépôts et des retraits dans
les télégrammes. En conséquence, si l’on
soustrait les données de signalisation,
le débit peut atteindre 90 % de 2 x 100
Mbits/s. La technologie EtherCAT va
progressivement évoluer pour fonctionner
sur des liaisons Gigabit Ethernet.
Pour la synchronisation, un mécanisme
d’horloge distribuée est appliqué, ce qui
conduit à une variation de la latence
inférieure à 1 μs. L’initialisation du
référentiel temporel est lancée par le
maître EtherCAT au moyen d’un message
diffusé à tous les nœuds (broadcast).
Chaque esclave dépose la valeur de son
horloge interne dans le télégramme deux
fois, au premier et au second passage. Le
maître peut alors lire toutes les valeurs
déposées et calculer le délai pour chaque
esclave. Chaque esclave doit régler la
vitesse de son horloge interne ou mettre
en place, un mécanisme de correction.
L’horloge d’un système EtherCAT est
définie sur 64 bits, avec une unité de base
de 1 ns, initialisée le 1er janvier 2000 à
0h00.
COMBINER LE BUS
ETHERCAT AVEC LES
RÉSEAUX ETHERNET
TSN
On peut difficilement comparer un bus
de terrain de terrain optimisé pour les
données industrielles comme EtherCAT
fonctionnant en anneau fermé, avec une architecture de réseau ouverte comme
Ethernet TSN, capable d’établir différents
niveaux de communication en temps
réels, optimisés pour chaque sousensemble de l’architecture constituée.
Ethernet TSN permet de combiner des
données informatiques et des données
industrielles non-critiques avec des
données prioritaires en délivrant un niveau
de performance qui résulte de la meilleure
utilisation possible des prérogatives de
chaque flux. Le protocole EtherCAT réduit
le volume de données perdues dans les
trames et limite les télégrammes à ce
qui est nécessaire à la bonne marche des
processus industriels adressés par les
esclaves, tout en verrouillant la topologie.
Avec la digitalisation, l’évolution et la
multiplication des systèmes de contrôle,
les besoins en bande passante vont croître
à un rythme élevé, ce qui justifie le recours
à une technologie comme Ethernet TSN
pour exploiter le réseau central d’une
installation de production complexe, en
combinaison avec des segments EtherCAT.
L’intégration d’EtherCAT avec Ethernet
TSN ne vise pas à associer les deux
technologies mais à tirer parti de
leurs avantages respectifs de manière
transparente. EtherCAT peut utiliser le
principe des flux priorisés de TSN pour
établir une liaison entre un émetteur
et un auditeur. Au moins deux flux sont
nécessaires entre un segment comportant
un maître EtherCAT et un autre
comportant des esclaves afin d’échanger
les données utiles des processus
industriels et d’autres informations
importantes dans les deux sens. Une autre
paire de flux peut être utilisée à des fins
de contrôle par les esclaves EtherCAT pour
transférer les données de service, sachant
que ce type de communication ne requiert
pas le même niveau de priorité. D’autres
besoins, telles que les données relevant de
la la surveillance des conditions, peuvent
encore utiliser une autre paire de flux.
S’agissant de l’architecture du système,
l’identification des segments EtherCAT
reste unique dans une partie isolée
logiquement du réseau Ethernet TSN. Un
équipement EtherCAT situé à proximité ou
à l’intérieur d’un segment, peut être utilisé
pour configurer l’étiquette d’identification
unique sur 12 bits. L’identification peut
s’effectuer au moyen du port commuté
qui est connecté au segment EtherCAT.
Du c
ocirc;té d’Ethernet TSN, il est possible
d’utiliser le numéro de réseau virtuel
(Vlan) en tant qu’identifiant du segment
EtherCAT.
Le fonctionnement synchronisé est
possible dans de tels réseaux en envoyant
la trame à un intervalle fixe du réseau
Ethernet TSN (IEEE 802.1) dans le segment
esclave EtherCAT. La latence la plus
défavorable détermine l’heure d’envoi
dans le segment EtherCAT. Ethernet
TSN permet des opérations synchrones
réparties sur plusieurs segments sans
efforts supplémentaires spécifiques
dans les esclaves EtherCAT. La qualité du
fonctionnement synchrone dépend des
horloges TSN suivant le standard IEEE
802.1AS). Il est recommandé d’utiliser des
ponts fournissant une synchronisation
précise dans la plage des 100 ns entre le
maître EtherCAT et le premier esclave, afin
de maintenir un degré de précision élevé
sur le réseau.
