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L−force Communication
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EDSETHIND
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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 .
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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.
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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".
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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.
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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.
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