Hayden Ali, ingénieur réseau
Glossaire de l'Ethernet industriel
Protocoles de communication Ethernet industriel
Ethernet devient omniprésent et rentable, avec des liaisons physiques communes et une vitesse accrue. Ainsi, de nombreux protocoles de communication industriels évoluent vers des solutions basées sur Ethernet. Les communications Ethernet avec TCP/IP sont généralement non déterministes et le temps de réaction est souvent d'environ 100 ms. Les protocoles Ethernet industriels utilisent une couche MAC (Media Access Control) modifiée pour obtenir une latence très faible et des réponses déterministes. Ethernet permet également une topologie de réseau flexible et un nombre flexible de nœuds dans le système. Examinons en détail certains des protocoles Ethernet industriels populaires.
EtherCAT, un protocole optimisé pour les données de processus, utilise les trames Ethernet standard IEEE 802.3. Chaque nœud esclave traite son datagramme et insère les nouvelles données dans la trame pendant le passage de chaque trame. Le processus est géré dans le matériel afin que chaque nœud présente une latence de traitement minimale, permettant le temps de réponse le plus rapide possible. EtherCAT est le protocole de couche MAC et est transparent pour tous les protocoles Ethernet de niveau supérieur tels que TCP/IP, UDP, serveur Web, etc. EtherCAT peut connecter jusqu'à 65,535 XNUMX nœuds dans un système, et le maître EtherCAT peut être un contrôleur Ethernet standard, simplifiant ainsi la configuration du réseau. En raison de la faible latence de chaque nœud d'agent, EtherCAT fournit des solutions Ethernet industrielles flexibles, économiques et compatibles avec le réseau.
EtherNet / IP est un protocole de couche application au-dessus de TCP/IP. EtherNet/IP utilise les couches physiques, de liaison de données, de réseau et de transport Ethernet standard tout en utilisant le protocole industriel commun (CIP) sur TCP/IP. CIP fournit un ensemble standard de messages et de services pour les systèmes de contrôle d'automatisation industrielle, et il peut être utilisé sur plusieurs supports physiques. Par exemple, le CIP sur le bus CAN est appelé DeviceNet, le CIP sur le réseau dédié est appelé ControlNet et le CIP sur Ethernet est appelé EtherNet/IP. EtherNet/IP établit la communication d'un nœud d'application à un autre via des connexions CIP via une connexion TCP, et plusieurs connexions CIP peuvent être établies via une connexion TCP.
PROFINET est un Ethernet industriel largement utilisé par les principaux fabricants d'équipements industriels tels que Siemens et GE. Il a trois classes différentes. PROFINET Classe A permet d'accéder à un réseau PROFIBUS via un proxy, reliant Ethernet et PROFIBUS avec une procédure distante faisant appel à TCP/IP. Son temps de cycle est d'environ 100 ms, et il est
principalement utilisé pour les données de paramètres et les E/S cycliques. L'application typique comprend l'automatisation des infrastructures et des bâtiments. PROFINET Class B, également appelé PROFINET Real-Time (PROFINET RT), introduit une approche logicielle en temps réel et a réduit le temps de cycle à environ 10 ms. La classe B est généralement utilisée dans l'automatisation des usines et l'automatisation des processus. PROFINET Classe C (PROFINET IRT) est isochrone et en temps réel, nécessitant un matériel spécial pour réduire le temps de cycle à moins de 1 ms afin de fournir des performances suffisantes sur l'Ethernet industriel en temps réel pour les opérations de contrôle de mouvement. PROFINET RT peut être utilisé dans des applications de type API, tandis que PROFINET IRT convient parfaitement aux applications de mouvement. La branche et l'étoile sont les topologies courantes utilisées pour PROFINET. Une planification soigneuse de la topologie est nécessaire pour que les réseaux PROFINET atteignent les performances requises du système.
LIEN PUISSANT a été développé à l'origine par B&R. Ethernet POWERLINK est implémenté au-dessus de IEEE 802.3 et, par conséquent, permet une sélection libre de la topologie du réseau, de l'interconnexion et de la connexion à chaud. Il utilise un mécanisme d'interrogation et de découpage temporel pour l'échange de données en temps réel. Un maître POWERLINK ou « nœud géré » contrôle la synchronisation de l'heure via la gigue des paquets dans la plage de 10 s de nanosecondes. Un tel système convient à tous les types de systèmes d'automatisation allant de la communication et de la visualisation API à API jusqu'au contrôle de mouvement et d'E/S. Les obstacles à la mise en œuvre de POWERLINK sont assez faibles en raison de la disponibilité de logiciels de pile open source. De plus, CANopen fait partie de la norme qui permet des mises à niveau faciles du système à partir des protocoles Fieldbus précédents.
Sercos III est la troisième génération du système de communication série en temps réel (Sercos). Il combine le traitement des paquets à la volée pour fournir une communication Ethernet en temps réel et une communication TCP/IP standard pour fournir un Ethernet industriel à faible latence. Tout comme EtherCAT, un esclave Sercos III traite le paquet en extrayant et en insérant des données dans la trame Ethernet à la volée pour obtenir une faible latence. Sercos III sépare les données d'entrée et de sortie en deux trames. Avec des temps de cycle à partir de 31.25 microsecondes, il est aussi rapide qu'EtherCAT et PROFINET IRT. Sercos III prend en charge la topologie en anneau ou en ligne. L'un des principaux avantages de l'utilisation de la topologie en anneau est la redondance des communications. Même si l'anneau se rompt en raison de la défaillance d'un esclave, tous les esclaves restants reçoivent toujours les trames Sercos III avec des données d'entrée/sortie. Sercos III peut avoir 511 nœuds esclaves dans un réseau et est le plus utilisé dans les commandes d'asservissement.
Mise en réseau sensible au temps (TSN) est une extension Ethernet définie par l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) conçue pour rendre les réseaux basés sur Ethernet plus déterministes. TSN est un réseau local (LAN) - une solution de niveau qui peut fonctionner avec Ethernet non-TSN, mais la rapidité n'est garantie qu'à l'intérieur du LAN TSN. Vous pouvez regrouper les normes TSN en fonction du cas d'utilisation qu'elles résolvent : une vue commune du temps, une latence maximale garantie ou une coexistence avec le trafic d'arrière-plan ou autre. Comme toute norme populaire, la boîte à outils des normes TSN évolue.