L−force Communication Ä.K>.ä EDSETHIND .K>. Manuel de communication Ethernet Ethernet dans les applications industrielles i Sommaire 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Connaissances de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1 Déterminisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Gigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.3 Temps de cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.4 Ethernet commuté (switched Ethernet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.5 Principe de découpage du temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.6 Synchronisation des horloges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.7 Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.8 Hubs ou switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.9 Adressage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.1 Exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.2 Classes de réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.3 Adresses IP réservées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.4 Attribution de l’adresse IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 8 9 9 Différentes variantes d’Ethernet industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.1 Ethernet/IP (CIP Sync) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Architecture / topologie du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 10 10 3.2 EtherCAT® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Architecture / topologie du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 11 12 3.3 PROFINET® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Architecture / topologie du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 13 14 3.4 Ethernet POWERLINK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Architecture / topologie du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 15 16 3.5 SERCOS III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Architecture / topologie du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 17 17 3 2 EDSETHIND FR 3.1 Introduction 1 0Fig. 0Tab. 0 1 Introduction Le réseau Ethernet, très répandu dans les bureaux, s’impose progressivement dans le milieu industriel. La tendance consiste à équiper tous les appareils de terrain d’un raccordement Ethernet. Le bus de terrain classique est ainsi supplanté. Les niveaux "bureau" et "terrain" sont de plus en plus étroitement liés. Outre le champ d’application de la technologie Ethernet, les exigences à remplir ont elles aussi évolué. Dans la bureautique, il s’agit essentiellement de transférer de gros volumes de données entre plusieurs ordinateurs tandis que la communication entre les équipements de terrain classiques consiste à transmettre des télégrammes très courts. Cela exige des temps de réponse très rapides, qui plus est hautement déterministes ( 4) − des exigences que l’Ethernet "standard" n’est pas en mesure de remplir. L’évolution des exigences a entraîné le développement de différents protocoles sur la base matérielle de l’Ethernet. Une partie de ces protocoles implique une séparation entre les lignes Ethernet en temps réel et les réseaux Ethernet standard. Lenze a élaboré différents modules de communication pour pouvoir remplir les exigences des protocoles Ethernet suivants : ƒ Ethernet ƒ Ethernet POWERLINK ƒ PROFINET® ƒ EtherCAT® ƒ EtherNet/IP La section suivante contient une brève description de quelques mécanismes de base de la technologie Ethernet. Les différences entre les divers protocoles Ethernet seront ensuite exposées, avec les indications relatives à une architecture appropriée du réseau Ethernet. EDSETHIND FR 3.1 3 2 Connaissances de base Déterminisme 2 Connaissances de base Au début des années 1970, au "Xerox Palo Alto Research Center" (PARC), l’idée germa de permettre à plusieurs collaborateurs d’utiliser une même imprimante. Cette idée déboucha sur la publication, en 1983, de la première norme Ethernet (IEEE802.3). Aujourd’hui, la technologie Ethernet fonctionne toujours avec certains de ses mécanismes d’origine, qui rendent toutefois complexe son exploitation en dehors de la sphère du bureau, notamment en raison des problèmes de collision. Entre−temps, de très nombreuses organisations ont développé des activités en vue d’exploiter au mieux la technologie Ethernet, également en environnement industriel. Toute une série de spécifications concurrentes ont ainsi été rédigées, dont les principales sont brièvement présentées dans les chapitres suivants, en particulier le bus de terrain EtherCAT, privilégié par Lenze. Certaines définitions et explications fondamentales suivent. Pour finir, les différents systèmes, ainsi que les avantages et les inconvénients inhérents à chaque solution, sont brièvement exposés. 2.1 Déterminisme On parle de déterminisme lorsqu’un système évolue dans le temps selon certaines règles strictes. Ramenée aux techniques de communication, cette définition implique que le moment où une valeur passe d’un participant à un autre peut être déterminé avec précision. Les collisions de télégrammes sont le principal obstacle aux réseaux Ethernet fonctionnant en temps réel. Elles se produisent lorsque 2 participants souhaitent émettre des données simultanément. Les contrôleurs Ethernet détectent alors une collision et interrompent la transmission. Selon un système en partie aléatoire (CSMA/CD), ils tentent de renouveler l’émission. Par conséquent, aucun déterminisme n’est possible avec l’Ethernet standard. 2.2 Gigue Entre le déclenchement d’un signal et le moment où son récepteur réagit, il s’écoule un temps de retard. Si ce temps de retard n’est pas constant, on parle de gigue. Dans les applications dites de "Motion Control", les valeurs attendues sont généralement inférieures à 1 ms. 2.3 Temps de cycle Le terme cycle (de communication) désigne le temps nécessaire pour transmettre à tous les participants du réseau de nouvelles valeurs de consigne et recevoir de chacun d’entre eux les valeurs actuelles correspondantes. Le temps de cycle le plus court possible dépend donc toujours du nombre de participants au bus. 4 EDSETHIND FR 3.1 Connaissances de base 2 Ethernet commuté (switched Ethernet) 2.4 Ethernet commuté (switched Ethernet) Selon la technologie Ethernet initiale, tous les participants sont raccordés à un même câble. L’émission simultanée de données par plusieurs participants entraîne donc des collisions. Avec le développement de la technologie Ethernet, les hubs (multirépéteurs) ont été introduits. Une liaison point par point est générée entre les participants et le hub. Le hub relie tous les participants sans temps de retard. Il est donc très rapide. Reste que les collisions ne sont toujours pas exclues. Ce problème a été résolu par une nouvelle génération de multirépéteurs (switches), qui transfèrent les messages aux équipements de manière sélective. Si nécessaire, la transmission des messages est différée. 2.5 ƒ Avantage : toute collision est exclue. ƒ Inconvénient : les switches retardent la transmission des messages. Le temps de retard dépend de la charge du réseau. Un véritable fonctionnement en temps réel n’est donc pas réalisable. Principe de découpage du temps Le principe de découpage du temps surclasse le protocole Ethernet non−déterministe. Selon celui−ci, chaque participant communique uniquement durant le créneau temporel qui lui est affecté dans le cycle total. Les collisions entravant le déterminisme sont ainsi évitées. 2.6 ƒ Avantage : un déterminisme parfaitement maîtrisé ƒ Inconvénient : tous les participants qui se trouvent sur le même segment de réseau doivent prendre en charge le principe de découpage du temps. Il suffit d’un participant non compatible pour entraver le déterminisme. Synchronisation des horloges Chaque appareil raccordé au bus possède une horloge interne. Un protocole spécial (IEEE1588, Precision Clock Synchronization) permet de faire en sorte que toutes les horloges soient synchronisées, afin de garantir l’exécution simultanée de certaines actions par tous les participants. EDSETHIND FR 3.1 ƒ Avantage : rend le déterminisme possible avec l’Ethernet standard ƒ Inconvénient : un composant matériel spécifique (avec horloge interne) est requis, même pour les switches. De plus, seuls des événements cycliques peuvent être maîtrisés en temps réel. 5 2 Connaissances de base Ports 2.7 Ports Un même participant au réseau Ethernet peut solliciter plusieurs programmes (services de serveur) simultanément sur le réseau. Chaque service "écoute" un port. Des clients, autrement dit d’autres équipements raccordés au réseau Ethernet, peuvent ainsi solliciter un service donné. La plupart des services peuvent gérer plusieurs clients simultanément. Exemple Service de serveur Port Multi−Client Web (HTTP) 80 oui E−mail (SMTP) 25 oui DNS 53 oui Validation de fichier (SMB) 445 oui Pour des raisons de sécurité, certains routeurs, pare−feu et autres composants d’infrastructure ne prennent pas en charge tous les ports. Il est donc important de savoir quels sont les ports à utiliser pour la communication avec un participant au réseau Ethernet. 2.8 Hubs ou switches Le câblage standard des systèmes Ethernet est aujourd’hui en étoile. En règle générale, deux équipements raccordés ne sont pas reliés directement, mais via un multirépéteur (en étoile). On distingue deux types de multirépéteurs courants : les concentrateurs (hubs) et les commutateurs (switches). Si, par le passé, les hubs étaient la solution standard dans les bureaux, on y trouve aujourd’hui davantage de switches. Ces derniers présentent l’avantage de pouvoir être montés en série en nombre quasi−illimité, permettant ainsi d’élaborer des structures réseau en arborescence. Un switch réceptionne les télégrammes et détermine sur quel port il doit les rediriger. La communication entre les participants au réseau Ethernet s’effectue ainsi sans collision. Lorsque plusieurs participants au réseau sollicitent un switch simultanément, celui−ci enregistre provisoirement les messages, puis les transmet. Il en résulte des temps de retard aléatoires, qui rendent l’utilisation des commutateurs critique pour les applications en temps réel. Seul un nombre limité de hubs peut être monté en série : avec plus de deux hubs montés en série, le système de détection de collision CSMA/CD ne fonctionne plus. Le net avantage des hubs par rapport aux switches est un temps de retard très court. Les hubs se contentent de régénérer (ou "répéter") les télégrammes sur leurs ports de sortie, sans les interpréter. Par conséquent, ils sont beaucoup plus adaptés à des applications en temps réel. Lorsque les collisions sont par ailleurs évitées grâce à un protocole maître comme l’Ethernet POWERLINK par exemple, les hubs constituent la meilleure alternative pour le niveau de terrain. 6 EDSETHIND FR 3.1 Connaissances de base 2 Adressage 2.9 Adressage Chaque participant au réseau Ethernet dispose d’une adresse MAC. L’adresse MAC est une adresse physique qui est attribuée à un équipement Ethernet au moment de sa fabrication et ne peut être modifiée. Elle est unique au monde et généralement imprimée sur la partie extérieure de l’équipement. Cette adresse unique permet de communiquer avec l’appareil quel que soit le nombre d’équipements Ethernet connectés au bus. Tout conflit entre deux adresses est exclu. L’adresse MAC est représentée par 6 octets. Il existe 248, soit environ 280 milliards d’adresses MAC différentes, qui permettent d’identifier avec précision chaque équipement Ethernet. L’adresse se présente généralement sous forme hexadécimale, les différents octets étant séparés par des points. Les trois premiers octets permettent d’identifier le fabricant, les trois derniers l’équipement. Exemple : 00.0A.86.00.00.0A (l’identifiant de Lenze est 00.0A.86). Dans la mesure où un remplacement de l’équipement en cas de défaut implique nécessairement un changement d’adresse MAC, un adressage logique par adresse IP est prévu. Chaque participant au réseau se voit donc attribuer aussi une adresse IP. Cette adresse doit être unique au sein d’un réseau. Il s’agit d’une adresse dite "logique", qui peut être modifiée via un logiciel. Elle est constituée de 32 bits. Par souci de lisibilité, elle se présente toujours sous la forme de 4 chiffres décimaux séparés par un point (dot notation). L’adresse IP comporte les paramètres "Net−ID" et "Host−ID". Le premier décrit le segment du réseau, le second le participant. Les 32 bits sont répartis sur les deux paramètres en fonction de la classe d’appartenance de l’adresse IP. Le premier octet indique de quelle classe il s’agit. Seuls les participants au réseau d’un même segment (= sous−réseau) peuvent communiquer directement entre eux. Lorsqu’ils sont répartis sur plusieurs segments, des routeurs sont nécessaires pour rediriger les télégrammes vers le segment destinataire. La taille maximale d’un segment de réseau est déterminée par la taille du paramètre "Net−ID". Des segmentations supplémentaires peuvent être réalisées à l’aide du masque de sous−réseau. EDSETHIND FR 3.1 7 2 Connaissances de base Adressage Exemple 2.9.1 Exemple Adresse IP : 192.168.10.1 Masque de sous−réseau : 255.255.255.0 Adresse IP Masque de sous−réseau 192 168 10 1 11000000 10101000 00001010 00000001 255 255 255 0 11111111 11111111 11111111 00000000 Description de l’exemple : Tous les participants au réseau qui souhaitent communiquer avec l’équipement décrit dans cet exemple doivent disposer d’une adresse qui commence également par 192.168.10. La seule différence possible dans l’adresse IP se situe au niveau du dernier octet. Dans le cas contraire, il faut utiliser un routeur. L’adresse IP du routeur doit être définie comme passerelle standard (Gateway). Les routeurs (passerelles ou Gateways) transmettent les paquets de données d’un réseau à l’autre. Chaque système connaît son propre réseau. Tous les paquets de données destinés à d’autres réseaux sont transmis à un routeur. Chaque système connaît des "routes" précises : "pour atteindre le réseau x, il faut passer par le routeur y". Les paquets de données destinés aux réseaux inconnus sont transmis à la passerelle standard (Default Gateway). Le système doit être bidirectionnel, sinon aucune réponse n’est possible ! 2.9.2 8 Classes de réseaux ƒ Classe A – Adresses de 1.x.x.x à 126.x.x.x – Masque de sous−réseau : 255.0.0.0 – Admet 126 réseaux pouvant comporter chacun jusqu’à 16 hôtes ƒ Classe B – Adresses de 128.0.x.x à 191.255.x.x. – Masque de sous−réseau : 255.255.0.0 – Admet 16000 réseaux pouvant comporter chacun jusqu’à 16000 hôtes ƒ Classe C – Adresses de 192.0.0.x à 223.255.255.x – Masque de sous−réseau : 255.255.255.0 – Admet 2 millions de réseaux pouvant comporter chacun jusqu’à 254 hôtes ƒ Subnetting : masque de sous−réseau dépassant la longueur admise pas la classe EDSETHIND FR 3.1 Connaissances de base 2 Adressage Adresses IP réservées 2.9.3 Adresses IP réservées ƒ 127.0.0.1, "local host" Un participant doté de cette adresse ne peut communiquer qu’avec lui−même. ƒ xxx.xxx.xxx.0, désigne un segment réseau Ne peut être utilisée comme adresse de participant. ƒ xxx.xxx.xxx.255, "broadcast" Communique avec tous les participants au réseau. Certaines plages de valeurs d’adresse sont réservées à des réseaux privés et ne peuvent être utilisées sur l’Internet : 2.9.4 ƒ 10.0.0.0 ... 10.255.255.255 ƒ 172.16.0.0 ... 172.31.255.255 ƒ 192.168.0.0 ... 192.168.255.255 Attribution de l’adresse IP Principes de base : pour raccorder un équipement Ethernet à un réseau existant, contacter impérativement l’administrateur réseau désigné. Ce dernier est chargé de l’attribution des adresses IP. Il lui appartient également de déterminer si l’équipement peut être directement relié au réseau ou si une séparation (à l’aide d’un pare−feu par exemple) est nécessaire. En aucun cas, les adresses ne doivent être choisies au hasard ! Une adresse doit être unique et adaptée au réseau existant. Il existe plusieurs mécanismes de réglage de l’adresse IP. En milieu industriel, les adresses IP attribuées sont généralement fixes. Dans les bureaux, on utilise souvent des serveurs DHCP, qui attribuent aux appareils une adresse dynamique au démarrage de l’équipement. Cette procédure est rare dans le milieu industriel. Pour qu’un ordinateur puisse communiquer avec un équipement de terrain via le protocole IP, leurs adresses IP respectives doivent d’abord être contrôlées. Il s’agit en premier lieu de vérifier l’adresse IP de l’équipement de terrain ou de lui attribuer l’adresse voulue. Puis, il faut s’assurer que l’ordinateur est bien doté d’une adresse IP qui se situe dans le même sous−réseau ou, le cas échéant, qu’un routeur est présent sur le réseau pour transférer les télégrammes d’un segment à un autre. Dans certains cas, un réglage du programme de commande de l’ordinateur est nécessaire. Pour cela, contacter l’administrateur réseau. EDSETHIND FR 3.1 9 3 Différentes variantes d’Ethernet industriel Ethernet/IP (CIP Sync) Principe de fonctionnement 3 Différentes variantes d’Ethernet industriel 3.1 Ethernet/IP (CIP Sync) Le système Ethernet/IP a été spécifié par le groupe d’utilisateurs "Open DeviceNet Vendor Association" (ODVA), dominé par Rockwell. L’IP désigne ici le protocole industriel étendu CIP (Common Industrial Protocol), qui constitue la couche d’application. Le CIP est également utilisé comme couche d’application pour DeviceNet et ControlNet. Par conséquent, il est défini conjointement par l’ODVA et "ControlNet International". Il a été complété par des fonctions de synchronisation pour les applications en temps réel et baptisé "CIP Sync". Principaux arguments : 3.1.1 ƒ Mise en application impérative de normes (IEEE 802.3, IEEE 1588). ƒ Switches spéciaux requis (avec horloges distribuées pour synchronisation d’horloges) ƒ Compatibilité avec les composants Ethernet standard ƒ Fonction de sécurité par CIP ƒ "Safety" possible Principe de fonctionnement Le principe du fonctionnement en temps réel repose sur le fait que chaque participant Ethernet possède une horloge interne haute précision. Ces horloges sont synchronisées en permanence via un protocole spécial (IEEE 1588). Les paquets de données doivent par ailleurs être classés par priorité. Seuls des événements cycliques peuvent toutefois être maîtrisés en temps réel. Pour plus d’informations sur le système Ethernet/IP (CIP Sync) ... ƒ Rendez−vous sur Internet à l’adresse suivante : www.odva.org . 3.1.2 Architecture / topologie du réseau Le système Ethernet/IP permet de réaliser des topologies Ethernet classiques en étoile et en arborescence. Parmi les composants d’infrastructure, le recours à des switches spéciaux avec horloges distribuées est impératif. Les outils d’analyse de réseau standard peuvent être utilisés. 10 EDSETHIND FR 3.1 Différentes variantes d’Ethernet industriel 3 EtherCAT® Principe de fonctionnement 3.2 EtherCAT® EtherCAT® est une marque déposée et une technologie brevetée sous licence de Beckhoff Automation GmbH, Allemagne. Un groupe d’utilisateurs appelé "EtherCAT Technology Group" (ETG) a été fondé. La participation à ce groupe est gratuite en échange de la mise à disposition du logo de son entreprise. Ce groupe d’utilisateurs et ses "membres" n’ont aucun droit juridique sur le système. Principaux arguments de Beckhoff : ƒ Compatibilité entière avec Ethernet ƒ Communication par composants matériels ; performance maximale ƒ Protocole haute performance ƒ Utilisation de cartes Ethernet standard ƒ Topologie libre ƒ Mélange de données en temps réel et TCP/IP standard possible ƒ Ethernet comme carte fond de panier Le système a des atouts en tant que bus fond de panier pour borniers. Deux variantes physiques sont proposées : E−Bus et Ethernet. L’E−Bus repose sur des signaux de tension différentielle (LVDS), est recommandé pour de courtes distances (<10 m, au sein d’un bornier) et ne garantit pas d’isolation galvanique. L’avantage de cette variante physique est qu’elle est plus rapide que la variante Ethernet en termes de temps d’exécution. Pour pouvoir utiliser la véritable technologie Ethernet (connecteur standard, liaison avec d’autres équipements Ethernet, etc.), le recours à la variante physique Ethernet est nécessaire. 3.2.1 Principe de fonctionnement Les données du télégramme Ethernet sont lues et/ou ajoutées en continu ("principe de l’Interbus"). Pour plus d’informations sur EtherCAT ... ƒ Rendez−vous sur Internet à l’adresse suivante : www.ethercat.org . EDSETHIND FR 3.1 11 3 Différentes variantes d’Ethernet industriel EtherCAT® Architecture / topologie du réseau 3.2.2 Architecture / topologie du réseau En principe, la topologie d’un système EtherCAT n’est pas imposée. En règle générale, il s’agit d’une architecture linéaire. En réalité, cette architecture masque implicitement une boucle. Des dérivations via coupleurs E/S sont possibles. Une topologie en étoile n’est réalisable que si l’API dispose de suffisamment de raccordements Ethernet (cartes réseau au sein d’un PC). L’utilisation de switches standard pour réaliser une topologie en étoile est proscrite. Les architectures en arborescence sont possibles, mais impliquent le recours à des bornes E/S avec câble de dérivation et sont restreintes en nombre. Les switches ne peuvent être utilisés qu’entre le maitre et le premier noeud EtherCAT. Les composants Ethernet standard peuvent être reliés directement au switch ou à des bornes spéciales de type "Switching Port". La communication entre les composants standard et les équipements EtherCAT n’est jamais directe, mais passe toujours par un "Virtual Switch" dans l’API. Cette caractéristique entraîne une augmentation du temps d’exécution et crée un goulet d’étranglement. Des outils spéciaux sont requis pour l’analyse du réseau, car le flux de données dépend du point de mesure. 12 EDSETHIND FR 3.1 Différentes variantes d’Ethernet industriel 3 PROFINET® Principe de fonctionnement 3.3 PROFINET® La technologie PROFINET® a été définie par le groupe d’utilisateurs PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFINET® est l’évolution logique de PROFIBUS®. On distingue le modèle PROFINET CBA (Component based Automation, V1), dont l’objectif principal est de relier plusieurs composants d’automatisation, et PROFINET I/O, une évolution du système PROFIBUS. Dans le premier cas, la communication repose sur le protocole TCP/IP standard et ne s’effectue pas en temps réel, ce qui n’est pas pertinent ici. Dans le cas de PROFINET I/O, il faut également opérer une distinction entre deux variantes. La première fonctionne certes en temps réel, mais selon des caractéristiques de puissance qui ne sont pas adaptées aux applications dites de "Motion Control". Elle est appelée SRT (Soft Real Time, V2) et peut en principe être implémentée sur n’importe quel contrôleur prenant en charge la technologie Ethernet. La performance réalisable correspond à celle du système PROFIBUS. Il existe également la variante IRT (Isochronous Real Time, V3), la seule appropriée pour les applications de "Motion Control". Des ASIC spéciaux de la société Siemens sont toutefois requis pour pouvoir réaliser de telles applications. Principaux arguments : 3.3.1 ƒ Communication à la fois en temps réel et basée sur le protocole TCP/IP dans le même câble ƒ Protocole homogène entre les différents composants, ainsi qu’entre système de commande et appareil de terrain ƒ Communication adaptable Principe de fonctionnement ƒ Soft Real Time (SRT): – Ethernet commuté permettant d’éviter les collisions – Optimisation de la file d’attente liée au protocole TCP/IP – Longueur de télégramme réduite et temps d’exécution réduits – Classement par priorité des paquets de données suivant IEEE 802.1Q (Prio 6) ƒ Isochronous Real Time (IRT): – Principe de découpage du temps : le cycle de communication se subdivise en une partie déterministe (fonctionnement en temps réel) et une partie ouverte (Ethernet standard). – Réalisation soumise à une exigence matérielle (ASIC spécial) – Synchronisation des cycles et réservation des créneaux temporels au sein des composants matériels Pour plus d’informations sur PROFINET ... ƒ Rendez−vous sur Internet à l’adresse suivante : www.profibus.com . EDSETHIND FR 3.1 13 3 Différentes variantes d’Ethernet industriel PROFINET® Architecture / topologie du réseau 3.3.2 Architecture / topologie du réseau En principe, la topologie d’un réseau PROFINET est libre. Des switches peuvent servir de multirépéteurs. Dans le cas de PROFINET SRT (V2), le switch doit prendre en charge le classement par priorité des paquets de données suivant la norme IEEE802.1Q. Pour pouvoir réaliser un réseau PROFINET IRT (V3), des switches spéciaux dotés de l’ASIC PROFINET de Siemens sont requis. Seuls des switches 4 ports peuvent être utilisés. En intégrant les switches dans les appareils de terrain, une architecture linéaire est en outre réalisable. Des outils spéciaux sont requis pour l’analyse du réseau avec PROFINET IRT (V3), car le flux de données dépend du point de mesure. 14 EDSETHIND FR 3.1 Différentes variantes d’Ethernet industriel 3 Ethernet POWERLINK Principe de fonctionnement 3.4 Ethernet POWERLINK Ethernet POWERLINK est un système Ethernet fonctionnant en temps réel. L’idée initiale d’ETHERNET Powerlink émane de la société B&R (version 1.0). L’ouverture et l’évolutivité du système sont garanties par "l’ETHERNET Powerlink Standardisation Group" (EPSG). Les activités menées dans ce cadre ont conduit à une norme industrielle reconnue (version 2.0) qui allie de manière optimale les caractéristiques techniques d’Ethernet avec les exigences relatives à un fonctionnement en temps réel et aux capacités d’intégration. 3.4.1 Principe de fonctionnement La technologie ETHERNET Powerlink permet d’éviter les collisions grâce à un système logiciel maître baptisé "Slot Communication Network Management". Il s’agit du principe de découpage du temps selon lequel le maître (Managing Node) octroie explicitement à chaque esclave (Controlled Node) un droit d’émission. Tous les participants peuvent être récepteurs. Comparaison avec CAN : le système CAN comporte également un maître, qui détermine le début de chaque nouveau cycle. La distribution aux participants est automatiquement réglée par des fonctions CAN. A chaque cycle, même un télégramme non destiné à être transmis en temps réel (a) peut être transféré. Un nombre illimité de télégrammes Ethernet peut être émis (télégrammes TCP/IP standard par exemple). Même pour ces télégrammes, le maître (Managing Node) octroie un droit d’émission explicite à un esclave (Controlled Node). i 1 2 3 4 i+1 5 n a 1 2 3 4 5 t E94YCEP014 I 1 ... n a Cycle Transfert de données cyclique (HRT) pour participants 1 ... n Transfert de données asynchrone (par exemple TCP/IP) Pour plus d’informations sur ETHERNET Powerlink ... ƒ Rendez−vous sur Internet à l’adresse suivante : www.ethernet−powerlink.org ƒ Consultez la brochure "Real Time Industrial Ethernet is Reality". EDSETHIND FR 3.1 15 3 Différentes variantes d’Ethernet industriel Ethernet POWERLINK Architecture / topologie du réseau 3.4.2 Architecture / topologie du réseau Les avantages d’une communication continue, conditionnée par le recours à des types de câble et à des normes homogènes, parlent d’eux−même. Elle efface cependant aussi la frontière entre environnements de bureau et de terrain jusqu’ici inhérente au fonctionnement du système. Cependant, même avec des réseaux Ethernet, il n’est pas souhaitable de renoncer entièrement à toute structuration, et ce pour les raisons suivantes : ƒ Sécurité et accès protégé ƒ Formation de segments de réseau ƒ Nécessité de segmentation de par le fonctionnement du système La segmentation d’un réseau est toujours souhaitable. Il n’est pas nécessaire que chaque participant communique avec tous les autres. En regroupant les participants qui communiquent en permanence pour former un segment de réseau, d’autres segments peuvent être séparés de cette charge du bus. En règle générale, dans un gros réseau d’entreprise, il y a une séparation stricte entre les environnements de bureau et de terrain, ceci même lorsque le même bus est utilisé aux deux niveaux. Il existe certes des liaisons possibles entre les deux réseaux (routeurs), mais l’accès n’est autorisé qu’après vérification de règles dédiées. Les routeurs garantissent un accès protégé, car tous les PC de bureau ne doivent pas accéder aux appareils de terrain. Par ailleurs, une séparation claire permet aussi de garantir que les erreurs survenues au sein d’un segment de réseau ne soient pas répercutées dans d’autres segments. Spécialement en cas de liaison entre participants Ethernet en temps réel et participants Ethernet standard, les routeurs remplissent des fonctions supplémentaires. Les participants Ethernet POWERLINK et les participants Ethernet standard ne doivent pas faire partie du même segment de réseau. A défaut, les participants standard ne prenant pas en charge le protocole en temps réel, des collisions entravant le fonctionnement en temps réel du bus se produiraient. 16 EDSETHIND FR 3.1 Différentes variantes d’Ethernet industriel 3 SERCOS III Principe de fonctionnement 3.5 SERCOS III L’objectif de SERCOS III était d’allier les mécanismes éprouvés de SERCOS aux avantages des principes physiques d’Ethernet. A cet effet, les mécanismes, les profils et les structures de télégrammes existants ont été adaptés à la conception physique de la technologie Ethernet. Les objectifs suivants devaient par ailleurs être réalisés : 3.5.1 ƒ Réduction des coûts de raccordement des composants matériels ƒ Possibilité d’intégration des protocoles TCP/IP ƒ Communication croisée ƒ Transmission de données relatives à la sécurité ƒ Tolérance d’erreur par rapport à une rupture de câble Principe de fonctionnement SERCOS III prévoit l’utilisation d’un canal IP pour la transmission des télégrammes Ethernet standard. Ce canal ne remplace pas le canal de service bien connu de SERCOS, qui reste utilisé pour la transmission des données cycliques. Le canal IP peut être désactivé et n’est généralement pas pris en considération dans les exemples de calcul. Comme avec le système Interbus, lors de chaque cycle de communication, un modèle est transmis, dans lequel chaque esclave peut inscrire ou lire des données. C’est pourquoi un composant matériel spécifique est requis (ASIC ou FPGA). Pour plus d’informations sur SERCOS III ... ƒ Rendez−vous sur Internet à l’adresse suivante : www.sercos.com . 3.5.2 Architecture / topologie du réseau Le système SERCOS initial est toujours conçu comme une boucle à fibre optique. La topologie en boucle a été appliquée à Ethernet. Comme chaque liaison Ethernet met à disposition un canal aller et un canal retour, on obtient une double boucle, d’où la possibilité de créer des systèmes redondants. En cas de défaillance d’un esclave, la boucle logique est certes interrompue, mais la communication reste possible. L’architecture linéaire exclut la redondance, mais permet d’économiser une liaison, ce qui peut être un avantage considérable avec des systèmes très étendus. Les topologies en étoiles ne sont pas réalisables avec SERCOS. Les multirépéteurs tels que les hubs ou les switches ne peuvent pas être utilisés. Les réseaux SERCOS III sont toujours des réseaux séparés. Un couplage avec des systèmes maîtres n’est possible que via "Motion Controller" ou API. Ce procédé n’a pas encore été défini. Des outils spéciaux sont requis pour l’analyse du réseau, car le flux de données dépend du point de mesure. EDSETHIND FR 3.1 17 © 11/2012 F Lenze Automation GmbH Grünstraße 36 D−40667 Meerbusch Germany Service Lenze Service GmbH Breslauer Straße 3 D−32699 Extertal Germany ( Ê ü +49(0)21 32 /99 04−0 ( Ê 008000/ 2446877 (24 h helpline) +49(0)21 32 /7 21 90 [email protected] +49(0)5154/ 82−11 12 [email protected] www.Lenze.com EDSETHIND 10 9 8 7 6 5 4 § .K>. § FR § 3.1 § TD17 3 2 1 ">
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