Jusqu'au milieu des années 1980, la plupart des capteurs et actionneurs utilisés étaient analogiques. Des systèmes comme la boucle de courant 4-20 mA permettaient non seulement d'effectuer des mesures précises sur de longues distances, mais aussi d'alimenter l'appareil. Grâce à leur forte immunité au bruit, ils offraient également une sécurité accrue, car les ruptures de câble étaient facilement détectables – un aspect essentiel pour la sécurité des installations à risques.

L'un des inconvénients de cette technologie résidait dans la nécessité d'un câble par capteur et actionneur, ce qui entraînait l'installation de nombreux câbles parallèles dans les usines. La réduction de la complexité et du coût du câblage a favorisé l'évolution des technologies de réseau. Ces technologies se sont articulées autour de l'interface série (UART) intégrée aux microcontrôleurs à bas coût, associée à un émetteur-récepteur adapté (par exemple, RS-485), ou autour de la technologie CAN (Controller Area Networking), largement utilisée dans le secteur automobile (Figure 1).

Ces réseaux de première génération reposaient sur des technologies différentes pour la couche physique (PHY) (couche 1 du modèle OSI) et pour les couches liaison de données (couche 2 du modèle OSI). De ce fait, les systèmes étaient rarement compatibles entre eux sans passerelle. Leurs principaux atouts étaient toutefois leur robustesse, même sur des distances de plusieurs centaines de mètres, des temps d'attente définis, le déterminisme et la conformité aux exigences de sécurité.

Ces technologies de bus de terrain sont installées dans des millions de nœuds à travers le monde, mais une grande partie de la technologie de la couche physique est restée inchangée, limitant ainsi la bande passante disponible. Parallèlement, les systèmes d'automatisation industrielle sont devenus de plus en plus complexes, intégrant des capteurs de données à grande échelle, tels que des caméras, qui sont intégrés dans des boucles de contrôle en temps réel au sein des environnements de traitement. La diversité des couches physiques installées rend impossible le déploiement de différents systèmes sur le même câblage.

L'Ethernet, technologie bien établie et largement utilisée dans les bâtiments et les usines pour les installations informatiques, offre une large bande passante et de nombreux fournisseurs pour tous les composants nécessaires, des connecteurs et câbles aux dispositifs électroniques. Vers 2005, des solutions basées sur l'Ethernet ont commencé à apparaître sur le marché, organisées autour d'une seule couche physique (PHY). Cependant, le reste du modèle OSI présentait de sérieux problèmes de latence, de réservation de bande passante, de fiabilité et de sécurité. En conséquence, plusieurs propositions de couche 2 basées sur la couche physique Ethernet ont été développées, mais une fois encore, les systèmes d'automatisation industrielle ont souffert d'incompatibilités entre les solutions de différents fournisseurs (Figure 2).

Adieu aux solutions propriétaires :
l’automatisation industrielle n’est pas le seul secteur désireux d’adopter l’Ethernet, mais des inquiétudes persistent quant au respect de ses spécifications techniques. Les secteurs de l’audio et de la vidéo professionnels, ainsi que l’industrie automobile, souhaitent tirer parti de ces avantages si des problèmes tels que la latence et le déterminisme peuvent être résolus. De plus, les systèmes Ethernet industriels propriétaires de deuxième génération étaient basés sur des couches physiques à 100 Mbits/s et le câblage volumineux qui en découle, tandis que d’autres secteurs ont déjà atteint des débits gigabit.

Les principaux obstacles à l'adoption d'Ethernet dans l'industrie ont été résolus grâce à un ensemble de normes communes appelées Time Sensitive Networking (TSN). Cette norme permettra l'interopérabilité des solutions commerciales, des composants électroniques aux câbles, répondant ainsi à la demande de nombreux secteurs industriels aux besoins similaires. Elle prévoit également l'utilisation de couches physiques autorisant des débits de transmission de données jusqu'à 1 Gbit/s, ainsi que le recours à l'Ethernet à paire unique (SPE), ce qui réduira considérablement l'encombrement et les coûts de câblage.

Voici quelques-unes des principales normes TSN assurant la synchronisation et le délai d'expiration requis par les réseaux industriels :
• IEEE 802.1AS – synchronisation et temporisation pour les applications critiques. Un mécanisme partage les données de synchronisation entre un nœud maître et les autres nœuds afin de fournir une horloge de référence commune servant de base synchrone. Il s'agit d'un profil IEEE 1588.

• IEEE 802.1Qbv – cette norme améliore la gestion des délais d'expiration de bout en bout en bloquant le trafic de faible priorité pendant des plages horaires définies. Elle peut ainsi être utilisée dans des applications telles que la commande Ethernet en boucle fermée avec un planificateur temporel.

• IEEE 802.1Qbu – cette norme définit les méthodes de prévision OSI de couche 2 permettant le trafic express intercalé (IET) sous IEEE 802.3br. Elle permet de réduire le temps d'attente de certains types de trafic dans un environnement mixte, notamment grâce à l'interception de trafic long et de faible priorité.

Ces changements, ainsi que les efforts déployés pour regrouper ces normes en fonction des applications au sein du profil IEC/IEEE 60802 de TSN pour l'automatisation industrielle, devraient contribuer à former la base de la technologie de réseau industriel de troisième génération.

Réseaux industriels avec TSN :
Les solutions système sur puce (SoC) compactes et hautement intégrées sont idéales pour moderniser les installations compatibles avec le TSN. Le TC9562 est un exemple de ce type de dispositif. Doté d'une interface PCIe, il étend les fonctionnalités des SoC de grande taille aux automates programmables industriels (API) ou se présente sous forme de cartes enfichables pour PC industriels (Figure 3). Il intègre toutes les fonctions du TSN, de la synchronisation IEEE 802.1AS au régulateur temporel IEEE 802.1Qbv (TAS) avec six files d'attente et une gestion flexible des tampons. La prise en charge matérielle du contrôle de toutes les portes logiques offre une grande précision pour la gestion des intervalles de temps définis utilisés par le TAS au sein d'un cycle machine. Les normes IEEE 802.1Qbu et IEEE 802.3br ajoutent des capacités d'anticipation pour garantir le traitement prioritaire des paquets de données critiques en temps réel.

Le micrologiciel nécessaire au fonctionnement est téléchargé via PCIe lors de l'initialisation, ce qui permet également les mises à jour ultérieures, telles que les modifications ou les ratifications des normes TSN pertinentes (Figure 4). Les interfaces SGMII, RGMII, RMII et MII sont prises en charge, atteignant des vitesses respectives de 10 Mb/s, 100 Mb/s et 1 000 Mb/s, ainsi que les couches physiques SPE T1 afin de répondre à la tendance vers un câblage plus léger et plus simple.

L'évaluation initiale du dispositif peut être réalisée à l'aide de la carte de référence PCIe, compatible avec un PC industriel sous Fedora 27. Toshiba propose une gamme complète de pilotes et d'utilitaires, ainsi que des exemples d'applications et des démonstrations TSN (Figure 5). Ces dernières incluent des exemples de fonctionnement de TAS permettant de visualiser les capacités d'anticipation, et l'impact sur la vitesse de transmission peut être analysé avec des outils standard tels que iPerf.

Avec des couches physiques standardisées et des implémentations Ethernet de couche 2 répondant aux besoins temps réel de l'automatisation industrielle, il est légitime de s'interroger sur les perspectives offertes par la technologie des réseaux industriels de quatrième génération. Comme dans d'autres secteurs, les couches supérieures du modèle OSI devraient également évoluer vers une standardisation. Des organisations telles que la Fondation OPC ont mis en place un groupe de travail dédié à la communication au niveau du terrain (FLC), avec pour objectif la création d'un protocole de communication machine-à-machine doté d'une architecture unifiée (OPC UA). Cette approche ouverte et multiplateforme, associée à une sécurité renforcée, a le potentiel de simplifier considérablement la complexité à laquelle les ingénieurs sont actuellement confrontés. L'installation de nouveaux équipements nécessiterait simplement que la machine déclare ses capacités (telles que les degrés de liberté d'un robot, sa charge utile maximale, etc.) à l'aide de structures de données simples et standardisées, permettant aux autres systèmes de comprendre et d'intégrer rapidement ces capacités à la tâche en cours.

Résumé :
Alors qu’Ethernet a commencé à supplanter de nombreuses technologies de réseau traditionnelles au niveau de la couche physique des systèmes d’automatisation industrielle, les différentes solutions proposées pour la couche 2 sont sur le point de remédier à la faiblesse historique d’Ethernet, qui a limité son adoption dans de nombreuses applications. L’avènement de TSN apporte la normalisation nécessaire pour garantir l’interopérabilité des équipements de différents fournisseurs, ce qui permettra également de réduire les coûts. Des dispositifs comme le TC9562, compatibles avec les logiciels libres, constituent une excellente base pour l’adoption des réseaux industriels utilisant TSN.

Article fourni par Toshiba Electronics Europe GmbH