Protocoles réseaux industriels

Auteur :  Manuel Gschwend, Chef de Groupe produits, Conrad Business Supplies

Dans cet article, l’auteur aborde les protocoles tels que EtherCAT, Ethernet/IP et Profibus et fait un bref comparatif. L'article présente également les concepts des nouvelles normes réseau sensibles au facteur temps, et les raisons pour lesquelles elles sont importantes pour de nombreuses applications industrielles.

Réseaux hérités de l'automatisation industrielle

Le développement des premiers automates programmables a été motivé par les besoins de l'industrie automobile à la fin des années 60, le Modicon 084 étant considéré comme le premier appareil commercialisé. Au départ, la communication entre automates programmables était assurée par des interfaces série. Les solutions étaient propriétaires, et les équipements de chaque grand fournisseur communiquaient via un protocole de bus personnalisé. Pour les systèmes simples sans perspective d'extension ou de connexion à d'autres composants, la communication propriétaire reste une option valable. Cependant, au fur et à mesure que le besoin se faisait sentir de déployer des équipements issus de plusieurs fournisseurs, un certain nombre de protocoles de communication standard ont été développés et adoptés, en fonction des spécificités de l'application - par exemple du type de capteur, du type de contrôleur ou de l'environnement physique. Compte tenu des coûts d'investissement élevés dans les installations industrielles et les machines, et des cycles de vie correspondants, beaucoup de ces protocoles série sont encore populaires aujourd'hui et ont encore leur place, ce qui permet des connexions rapides et faciles entre produits d'un même fournisseur.

Des exemples de ces anciens protocoles sont notamment PROFIBUS, CAN bus, Modbus et CC-Link, que l’on trouve encore dans les usines modernes. Les systèmes utilisés dans les usines sont en général classés hiérarchiquement comme indiqué en Figure 1, les différents dispositifs correspondant à l'un des cinq niveaux. Les protocoles ci-dessus sont généralement classés comme protocoles "Fieldbus" (bus de terrain) ce qui signifie qu'ils ont été développés pour permettre aux "appareils de terrain" tels que capteurs, moteurs, actionneurs, etc. de communiquer avec les automates programmables.

Emergence d’Ethernet, tendances Industrie 4.0 et priorités

Les efforts constants pour améliorer la productivité et le retour sur investissement se sont traduits par une croissance du niveau d'automatisation des usines et une prolifération des dispositifs connectés. Les lignes de production "Industrie 4.0" (usine intelligente) se diversifient de plus en plus, et nécessitent l'interopérabilité d'un éventail de dispositifs plus large, y compris de systèmes cyber-physiques, issus de différents fabricants, d'où la nécessité de développer des systèmes ouverts et des normes communes. On peut faire un parallèle avec les développements réalisés dans les télécommunications, où l'innovation a été alimentée par des normes ouvertes, permettant aux fournisseurs de solutions d’élaborer des services s’appuyant sur des plateformes s’appuyant sur des équipements provenant de plusieurs fournisseurs. La baisse des coûts de ces plateformes a réduit les barrières à l'entrée, ce qui a donné naissance à des modèles de services entreprenariaux et à de nouveaux services.

L'adoption croissante d'Ethernet comme protocole de communication industriel a joué un rôle clé dans l'évolution de l'usine intelligente. Bien qu'il présente de nombreux avantages, le déploiement d'Ethernet a d'abord été limité aux niveaux contrôle et information de la hiérarchie des communications industrielles, compte tenu de la nature déterministe de nombreux processus industriels. Pour surmonter cette limitation, plusieurs grands fabricants industriels ont développé des extensions au protocole Ethernet standard, comme PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT, ModbusTCP et d’autres. (Ces extensions modifient la liaison de données, le réseau et/ou les couches de transport). Ces extensions sont devenues depuis lors des "normes ouvertes" et sont très répandues dans l'industrie, ce qui permet de surmonter les problèmes déterministes dans une certaine mesure. Toutefois, ces protocoles posent deux problèmes majeurs :

• N'étant pas totalement compatibles avec Ethernet, ces différents protocoles temps-réel ne peuvent pas coexister sur le même réseau Ethernet, et
• des interfaces matérielles spécifiques sont indispensables dans tous les dispositifs connectés.

Pour remédier à ce problème, l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) a récemment annoncé un ensemble de sous-normes Ethernet IEEE 802, qui rajoutent les mécanismes nécessaires pour prendre en charge les communications temps-réel. Ces sous-normes comprennent la transmission contrôlée dans le temps, la synchronisation et la réservation de bande passante, et permettent à tous types de données - y compris aux données temps-réel - d'être transmises simultanément sur un même réseau.

Les développements ci-dessus permettront à Ethernet d'accélérer sa pénétration aux niveaux de processus et bus terrain de la hiérarchie des communications industrielles. Un rapport récent de HMS Industrial Networks affirme qu'en 2017, l'Ethernet industriel représentait 52% des nouveaux nœuds installés avec des bus de terrain à hauteur de 42%. EtherNet/IP est désormais le réseau le plus couramment installé avec 15%, suivi par PROFINET et PROFIBUS, tous les deux à 12% Les pourcentages correspondant aux protocoles les plus populaires pour les nouvelles installations sont indiqués dans le Tableau 1.

Navigation dans les options

Comme indiqué ci-dessus, un certain nombre de protocoles différents existent dans l'usine d'aujourd'hui, certains sont anciens et d'autres sont développés pour tirer parti des capacités d’Ethernet, tout en tenant compte de la nature déterministe ou critique au niveau temps de nombreux processus industriels. Les Tableaux 2 et 2bis résument les principaux protocoles industriels utilisés aujourd'hui ainsi que leurs domaines d'application. Bien que le nombre de ces protocoles ait diminué au fur et à mesure de l'automatisation de l'usine, il reste encore du chemin à parcourir avant qu'une norme acceptée émerge, mais les développements récents avec les normes IEEE 802.3 devraient faciliter cela.

Conclusion

Industry 4.0 a été qualifié de troisième révolution industrielle, dans laquelle l'automatisation de l'usine intelligente devrait fortement stimuler la croissance économique. Un réseau de communication fiable et efficace, reliant tous les composants de l'usine entre eux, est un composant clé de l'Industrie 4.0. Si les anciens réseaux et les anciens protocoles ont encore un rôle à jouer, la popularité croissante de l'Ethernet industriel verra bon nombre d'entre eux évoluer au fur et à mesure du remplacement des équipements.

L'utilisation d'Ethernet dans l'ensemble de la hiérarchie des communications promet de simplifier le transfert des données de l'usine ou du terrain vers les systèmes ERP de l'entreprise. Ce niveau d'intégration entrainera une transformation de nombreux processus de gestion de l’entreprise, ce qui aura des répercussions sur la productivité et la rentabilité.

De nombreux protocoles Ethernet industriels différents ont été mis en œuvre sur le terrain, chacun avec ses avantages et ses inconvénients. De récents travaux réalisés par l'IEEE pour étendre les normes Ethernet 802.3 devraient permettre la convergence des protocoles Ethernet industriels pour fournir des liens de communication déterministes temps-réel, offrant une meilleure fiabilité et une sécurité intégrée.