Au cours des deux dernières décennies, la communication des systèmes industriels a connu des changements majeurs. Les entreprises se sont peu à peu éloignées des systèmes basés sur des bus de terrain pour se tourner vers des systèmes de communication basés sur l’Ethernet. L’utilisation de ces derniers devrait continuer de progresser de façon exponentielle, d’après les dernières études menées par la société d’analyse MarketsandMarkets, montrant que le marché global pour l’Ethernet industriel représentait 9,2 milliards de dollars en 2020 et devrait représenter 13,7 milliards de dollars en 2026, soit un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 7,3% sur la période considérée.
Ce n’est pas vraiment une surprise que l’Ethernet industriel ait évolué pour représenter une part de marché aussi importante en un temps relativement court car, malgré les améliorations apportées aux systèmes basés sur un bus de terrain, ceux-ci continuent à souffrir de certains inconvénients. Ils se révèlent, certes, idéaux pour les fonctionnalités de contrôle simple, mais plus les fabricants sont nombreux à travailler pour mettre en œuvre une stratégie industrielle de type 4.0, plus ces inconvénients deviennent des obstacles difficiles à contourner. L’inconvénient le plus évident est celui de la vitesse, en particulier quand il s’agit d’applications qui nécessitent un contrôle très précis et très complexe, comme la robotique.
L’Ethernet est une alternative qui coule de source
Dans ce cas, la mise en œuvre de l’Ethernet est une alternative qui coule de source. En effet, l’Ethernet possède une bande passante suffisante pour une grande majorité des cas d’utilisation industriels, y compris pour les applications les plus exigeantes relevant de l’industrie 4.0. Il s’agit en effet d’un standard bien connu, qui est peu onéreux et utilisé dans le monde entier. Il est flexible et peut être utilisé pour de nombreuses applications différentes, en particulier car il est aisé et peu onéreux d’intégrer les branchements de bus de terrain anciens au cœur du réseau Ethernet. Pour la mise en œuvre et la maintenance, il ne manque pas d’ingénieurs qui ont déjà travaillé avec cette technologie et qui la comprennent. Le monde de l’industrie 4.0 nécessite un lien fort entre les machines industrielles et le réseau informatique, c’est pourquoi il est cohérent que les systèmes de communication soient basés sur le même standard. Cependant, l’Ethernet que l’on trouve dans les systèmes informatiques n’est pas déterministe, alors qu’il s’agit de l’une des exigences les plus importantes pour les systèmes de contrôle-commande.
Ce défaut a poussé plusieurs fabricants et organisations à développer des standards basés sur l’Ethernet qui conviendrait à une utilisation industrielle. Les plus populaires de ces standards sont Ethernet TSN, EtherNet/IP, Profinet et EtherCAT. Depuis leur développement initial, chacun de ces protocoles, ainsi que d’autres systèmes propriétaires ou moins connus, ont trouvé leur propre niche géographique ou technologique.
La mise en œuvre de l’EtherCAT n’est pas une chose aisée. Le plus gros problème que rencontrent les développeurs est de pouvoir respecter les exigences de durée de cycle. De nombreux fabricants, surtout ceux qui utilisent des moteurs, voudraient mettre en œuvre des algorithmes de contrôle à 8000 cycles par seconde, ce qui correspond à une durée de cycle de 125 µs. Bien que les systèmes EtherCAT devraient pouvoir facilement atteindre ce chiffre, en pratique cela se révèle plus difficile et exige beaucoup d’écriture et d’optimisation du code. Cela peut également s’avérer onéreux, car un contrôleur EtherCAT sur rail DIN standard associé à un contrôleur de moteur peut coûter des centaines de dollars. En réalité, il est possible de développer un système personnalisé pour une somme presque 10 fois moindre.
Les solutions Microchip sur le marché de l’EtherCAT
Microchip est sur le marché de l’EtherCAT depuis 2012. La société a lancé son premier contrôleur esclave EtherCAT (ESC, pour EtherCAT Slave Controller), le LAN9252, en 2015. Cette entrée sur le marché a été un succès, et a permis à la société d’obtenir des retours sur les points noirs du marché. L’entreprise a compris que les utilisateurs voulaient disposer d’un moyen plus simple de respecter les exigences de durée de cycle ainsi que d’un éventail de fonctionnalités qui leur permettent d’apporter une valeur ajoutée à leurs mises en œuvre et d’avoir une meilleure compréhension du fonctionnement de la technologie EtherCAT.
Grâce à ces retours, Microchip a développé une deuxième génération de solutions ESC, qui a été lancée en septembre 2020. Les composants LAN9253 et LAN9254 sont des ESC à 3 ports qui intègrent des PHY Ethernet avec un émetteur-récepteur 100BASE-TX Full Duplex et un fonctionnement à 100 Mbit/s.
L’amélioration la plus importante que l’entreprise a apportée aux nouveaux ESC a été d’adapter le système pour permettre aux développeurs d’atteindre la durée de cycle ciblée avec très peu d’optimisation logicielle. Les nouveaux composants simplifient également la mise en œuvre des réseaux EtherCAT en diminuant le temps de conception et la liste des matériaux nécessaires. Les mises en œuvre EtherCAT standards utilisent un ESC, un microcontrôleur et une EEPROM, qui contient la configuration nécessaire à l’ESC. Or, Microchip a mis au point une technique qui émule de façon efficace une EEPROM. L’ESC utilise un appel de fonction pour obtenir les instructions directement du microcontrôleur hôte sans pour autant affecter les performances, rendant inutile l’utilisation d’une EEPROM physique.
Diminution du nombre de quartz requis pour la synchronisation
Ces circuits intégrés ont également été conçus avec une fonctionnalité qui diminue le nombre de quartz requis pour la synchronisation. De nombreux systèmes industriels utilisent des contrôleurs multi-axes pour des applications telles que la robotique. Ces systèmes peuvent nécessiter jusqu’à six circuits de contrôleur différents pour faire fonctionner un bras robotique multi-axe. Chacun de ces circuits nécessitait auparavant d’avoir son propre quartz pour la synchronisation. Chacun des circuits intègre une méthode permettant de reproduire avec précision le système d’horloge et l’atténuateur de gigue pour les six circuits à l’aide d’un seul et unique quartz, ce qui permet de se passer des 5 autres quartz et donc diminue encore les coûts système.
Les deux composants intègrent également des fonctionnalités qui facilitent la mise en œuvre et le fonctionnement des systèmes EtherCAT. Le protocole EtherCAT est conçu sans diagnostics à la couche physique, de sorte que les utilisateurs n’ont connaissance des pannes (telles qu’une détérioration des câbles) qu’au moment où des erreurs CRC ou d’autres problèmes surviennent. Microchip a intégré à ses composants la possibilité de surveiller l’état des câbles à tout moment, ce qui permet aux utilisateurs de voir les défauts avant l’apparition des problèmes, l’un des principes essentiels de l’industrie 4.0.
Le LAN9255 intègre en plus un microcontrôleur Cortex-M4F
Le LAN9253 est encapsulé dans un boîtier QFN, avec un brochage aussi proche que possible que celui du LAN9252, afin de permettre aux clients de profiter des avantages offerts par le système avec le moins d’ajustements possible. Le LAN9254 possède 16 broches d’E/S supplémentaires, qui permettent au contrôleur ESC de fonctionner comme contrôleur autonome, sans avoir recours à un microcontrôleur. Comme la zone de la trame que le nœud du composant utilise et le délai de propagation sont connus, les bits dans le contrôleur ESC peuvent être reliés aux décalages dans la trame ainsi qu’aux 32 lignes d’E/S pour permettre à l’équipement de terrain d’être connecté directement au réseau EtherCAT.
Cette année, Microchip a lancé le LAN9255, qui intègre en plus un microcontrôleur Cortex-M4F. Le microcontrôleur est assez rapide pour correspondre aux exigences du standard EtherCAT, tout en jouant par ailleurs le rôle de processeur d’une application pour le système de contrôle. L’unité de calcul à virgule flottante du processeur permet d’utiliser des algorithmes plus complexes, tels que ceux nécessaires pour la commande de moteur. Des connecteurs Ethernet compatibles avec le protocole SNMP version 3 ont également été ajoutés pour offrir aux développeurs davantage de flexibilité et relier les machines industrielles aux systèmes informatiques.
