Examen des protocoles modernes dans les systèmes d'automatisation industrielle

Dans la publication précédente nous avons parlé du fonctionnement des bus et des protocoles dans l'automatisation industrielle. Cette fois, nous nous concentrerons sur les solutions de travail modernes : nous examinerons quels protocoles sont utilisés dans les systèmes du monde entier. Considérons les technologies des sociétés allemandes Beckhoff et Siemens, de l'autrichienne B&R, de l'américain Rockwell Automation et du russe Fastwel. Nous étudierons également des solutions universelles qui ne sont pas liées à un fabricant spécifique, comme EtherCAT et CAN. 

A la fin de l'article il y aura un tableau comparatif avec les caractéristiques des protocoles EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP et ModbusTCP.

Nous n'avons pas inclus les protocoles PRP, HSR, OPC UA et autres dans l'examen, car Il existe déjà d'excellents articles à leur sujet sur Habré rédigés par nos collègues ingénieurs qui développent des systèmes d'automatisation industrielle. Par exemple, « Protocoles de redondance « transparents » PRP et HSR » и « Passerelles de protocoles d'échanges industriels sous Linux. Assemblez-le vous-même".

Tout d'abord, définissons la terminologie : Industrial Ethernet = réseau industriel, Fieldbus = bus de terrain. Dans l'automatisation industrielle russe, il existe une confusion entre les termes liés au bus de terrain et au réseau industriel de niveau inférieur. Souvent, ces termes sont combinés en un concept unique et vague appelé « niveau inférieur », qui est appelé à la fois bus de terrain et bus de sous-niveau, bien qu'il ne s'agisse pas du tout d'un bus.

Pourquoi est-ce?Cette confusion est probablement due au fait que dans de nombreux contrôleurs modernes, la connexion des modules d'E/S est souvent réalisée à l'aide d'un fond de panier ou d'un bus physique. Autrement dit, certains contacts et connecteurs de bus sont utilisés pour combiner plusieurs modules en une seule unité. Mais ces nœuds, à leur tour, peuvent être interconnectés à la fois par un réseau industriel et par un bus de terrain. Dans la terminologie occidentale, il existe une division claire : un réseau est un réseau, un bus est un bus. Le premier est désigné par le terme Industrial Ethernet, le second par Fieldbus. L'article propose d'utiliser respectivement le terme « réseau industriel » et le terme « bus de terrain » pour ces concepts.

Norme de réseau industriel EtherCAT, développée par Beckhoff

Le protocole EtherCAT et le réseau industriel sont peut-être aujourd'hui l'une des méthodes de transmission de données les plus rapides dans les systèmes d'automatisation. Le réseau EtherCAT est utilisé avec succès dans les systèmes d'automatisation distribués, où les nœuds en interaction sont séparés sur de longues distances.

Le protocole EtherCAT utilise des trames Ethernet standards pour transmettre ses télégrammes, il reste donc compatible avec tout équipement Ethernet standard et, en effet, la réception et la transmission des données peuvent être organisées sur n'importe quel contrôleur Ethernet, à condition de disposer du logiciel approprié.

Contrôleur Beckhoff avec un ensemble de modules d'E/S. Source: www.beckhoff.de

La spécification du protocole est ouverte et disponible, mais uniquement dans le cadre de l'association de développement - EtherCAT Technology Group.

Voici comment fonctionne EtherCAT (le spectacle est fascinant, comme le jeu Zuma Inca) :

La vitesse d'échange élevée de ce protocole - et on peut parler d'unités de microsecondes - est due au fait que les développeurs ont refusé d'échanger à l'aide de télégrammes envoyés directement à un appareil spécifique. Au lieu de cela, un télégramme est envoyé au réseau EtherCAT, adressé à tous les appareils en même temps, chacun des nœuds esclaves de collecte et de transmission des informations (ils sont aussi souvent appelés OSO - dispositif de communication d'objet) en extrait « à la volée » les données qui lui étaient destinées et insère dans un télégramme les données qu'il est prêt à fournir pour échange. Le télégramme est ensuite envoyé au nœud esclave suivant, où la même opération a lieu. Après avoir traversé tous les dispositifs de contrôle, le télégramme est renvoyé au contrôleur principal qui, sur la base des données reçues des dispositifs esclaves, met en œuvre la logique de contrôle, interagissant à nouveau via le télégramme avec les nœuds esclaves, qui émettent un signal de commande pour l'équipement.

Un réseau EtherCAT peut avoir n'importe quelle topologie, mais il s'agira essentiellement toujours d'un anneau - en raison de l'utilisation du mode full duplex et de deux connecteurs Ethernet. De cette manière, le télégramme sera toujours transmis séquentiellement à chaque appareil du bus.

Représentation schématique d'un réseau Ethercat avec plusieurs nœuds. Source: realpars.com

À propos, la spécification EtherCAT ne contient aucune restriction sur la couche physique 100Base-TX, la mise en œuvre du protocole est donc possible sur la base de lignes gigabit et optiques.

Réseaux industriels ouverts et normes PROFIBUS/NET de Siemens

L'entreprise allemande Siemens est connue depuis longtemps pour ses automates programmables (PLC), utilisés dans le monde entier.

L'échange de données entre les nœuds d'un système automatisé contrôlé par des équipements Siemens s'effectue à la fois via un bus de terrain appelé PROFIBUS et dans le réseau industriel PROFINET.

Le bus PROFIBUS utilise un câble spécial à deux conducteurs avec des connecteurs DB-9. Siemens l'a en violet, mais nous en avons vu d'autres en pratique :). Pour connecter plusieurs nœuds, un connecteur peut connecter deux câbles. Il dispose également d'un interrupteur pour la résistance terminale. La résistance terminale doit être activée aux extrémités du réseau, indiquant ainsi qu'il s'agit du premier ou du dernier appareil, et après il n'y a rien, seulement l'obscurité et le vide (tous les RS485 fonctionnent comme ça). Si vous allumez une résistance sur le connecteur intermédiaire, la section qui la suit sera éteinte.

Câble PROFIBUS avec connecteurs de connexion. Source: VIPA ControlsAmérique

Le réseau PROFINET utilise un câble analogique à paire torsadée, généralement doté de connecteurs RJ-45, le câble est de couleur verte. Si la topologie de PROFIBUS est un bus, alors la topologie du réseau PROFINET peut être n'importe quoi : un anneau, une étoile, un arbre ou tout ce qui est combiné.

Contrôleur Siemens avec câble PROFINET connecté. Source : w3.siemens.com

Il existe plusieurs protocoles de communication sur le bus PROFIBUS et dans le réseau PROFINET.

Pour PROFIBUS :

1. PROFIBUS DP - la mise en œuvre de ce protocole implique une communication avec des appareils esclaves distants ; dans le cas de PROFINET, ce protocole correspond au protocole PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA est essentiellement le même que PROFIBUS DP, utilisé uniquement pour les versions antidéflagrantes de transmission de données et d'alimentation électrique (analogue à PROFIBUS DP avec des propriétés physiques différentes). Pour PROFINET, il n'existe pas encore de protocole antidéflagrant similaire à PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS - conçu pour l'échange de données avec des systèmes d'autres fabricants qui ne peuvent pas utiliser PROFIBUS DP. L'analogue PROFIBUS FMS dans le réseau PROFINET est le protocole PROFINET CBA.

Pour PROFINET :

1. PROFINET E/S ;
2. PROFINET ABC.

Le protocole PROFINET IO est divisé en plusieurs classes :

• PROFINET NRT (temps non réel) - utilisé dans les applications où les paramètres de synchronisation ne sont pas critiques. Il utilise le protocole de transfert de données Ethernet TCP/IP ainsi que UDP/IP.
• PROFINET RT (temps réel) - ici l'échange de données d'E/S est implémenté à l'aide de trames Ethernet, mais les données de diagnostic et de communication sont toujours transférées via UDP/IP. 
• PROFINET IRT (Isochronous Real Time) - Ce protocole a été développé spécifiquement pour les applications de contrôle de mouvement et comprend une phase de transfert de données isochrone.

Quant à la mise en œuvre du protocole temps réel dur PROFINET IRT, pour les communications avec des appareils distants, il distingue deux canaux d'échange : isochrone et asynchrone. Un canal isochrone avec une durée de cycle d'échange fixe utilise la synchronisation d'horloge et transmet des données temporelles critiques ; des télégrammes de deuxième niveau sont utilisés pour la transmission. La durée de transmission dans un canal isochrone ne dépasse pas 1 milliseconde.

Le canal asynchrone transmet des données dites en temps réel, qui sont également adressées via une adresse MAC. De plus, diverses informations de diagnostic et auxiliaires sont transmises via TCP/IP. Ni les données en temps réel, ni encore moins les autres informations, bien entendu, ne peuvent interrompre le cycle isochrone.

L'ensemble étendu de fonctions PROFINET IO n'est pas nécessaire pour chaque système d'automatisation industrielle, ce protocole est donc adapté à un projet spécifique, en tenant compte des classes de conformité ou des classes de conformité : CC-A, CC-B, CC-CC. Les classes de conformité vous permettent de sélectionner des appareils de terrain et des composants de base avec les fonctionnalités minimales requises. 

Source: Cours universitaire PROFINET

Le deuxième protocole d'échange du réseau PROFINET - PROFINET CBA - permet d'organiser la communication industrielle entre des équipements de différents constructeurs. La principale unité de production dans les systèmes IAS est une certaine entité appelée composant. Ce composant est généralement un ensemble de pièces mécaniques, électriques et électroniques d'un appareil ou d'une installation, ainsi que des logiciels d'application associés. Pour chaque composant, un module logiciel est sélectionné qui contient une description complète de l'interface de ce composant conformément aux exigences de la norme PROFINET. Après quoi ces modules logiciels sont utilisés pour échanger des données avec les appareils. 

Protocole Ethernet POWERLINK de B&R

Le protocole Powerlink a été développé par la société autrichienne B&R au début des années 2000. Il s'agit d'une autre implémentation d'un protocole temps réel au-dessus de la norme Ethernet. La spécification du protocole est disponible et distribuée gratuitement. 

La technologie Powerlink utilise un mécanisme dit d'interrogation mixte, lorsque toute interaction entre les appareils est divisée en plusieurs phases. Les données particulièrement critiques sont transmises dans la phase d'échange isochrone, pour laquelle le temps de réponse requis est configuré ; les données restantes seront transmises, dans la mesure du possible, dans la phase asynchrone.

Contrôleur B&R avec un ensemble de modules d'E/S. Source : br-automation.com

Le protocole a été initialement implémenté au-dessus de la couche physique 100Base-TX, mais une implémentation gigabit a ensuite été développée.

Le protocole Powerlink utilise un mécanisme de planification des communications. Un certain marqueur ou message de contrôle est envoyé au réseau, à l'aide duquel il est déterminé lequel des appareils est actuellement autorisé à échanger des données. Un seul appareil à la fois peut avoir accès à l’échange.

Représentation schématique d'un réseau Ethernet POWERLINK avec plusieurs nœuds.

Dans la phase isochrone, le contrôleur d'interrogation envoie séquentiellement une requête à chaque nœud à partir duquel il a besoin de recevoir des données critiques. 

La phase isochrone s'effectue, comme déjà mentionné, avec un temps de cycle réglable. Dans la phase asynchrone de l'échange, la pile de protocoles IP est utilisée, le contrôleur demande des données non critiques à tous les nœuds, qui envoient une réponse au fur et à mesure qu'ils accèdent à la transmission au réseau. Le rapport de temps entre les phases isochrones et asynchrones peut être ajusté manuellement.

Protocole Ethernet/IP de Rockwell Automation

Le protocole EtherNet/IP a été développé avec la participation active de la société américaine Rockwell Automation en 2000. Il utilise la pile IP TCP et UDP et l'étend aux applications d'automatisation industrielle. La deuxième partie du nom, contrairement aux idées reçues, ne signifie pas Protocole Internet, mais Protocole Industriel. UDP IP utilise la pile de communication CIP (Common Interface Protocol), également utilisée dans les réseaux ControlNet/DeviceNet et implémentée au-dessus de TCP/IP.

La spécification EtherNet/IP est accessible au public et gratuitement. La topologie du réseau Ethernet/IP peut être arbitraire et inclure un anneau, une étoile, une arborescence ou un bus.

En plus des fonctions standards des protocoles HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP, il met en œuvre le transfert de données urgentes entre le contrôleur d'interrogation et les périphériques d'E/S. La transmission des données non critiques est assurée par des paquets TCP et la livraison critique des données de contrôle cycliques est effectuée via le protocole UDP. 

Pour synchroniser l'heure dans les systèmes distribués, EtherNet/IP utilise le protocole CIPsync, qui est une extension du protocole de communication CIP.

Représentation schématique d'un réseau Ethernet/IP avec plusieurs nœuds et connexion d'appareils Modbus. Source: www.icpdas.com.tw

Pour simplifier la configuration du réseau EtherNet/IP, la plupart des appareils d'automatisation standard sont livrés avec des fichiers de configuration prédéfinis.

Implémentation du protocole FBUS chez Fastwel

Nous avons longtemps réfléchi à l'opportunité d'inclure dans cette liste la société russe Fastwel avec sa mise en œuvre nationale du protocole industriel FBUS, mais nous avons ensuite décidé d'écrire quelques paragraphes pour une meilleure compréhension des réalités de la substitution des importations.

Il existe deux implémentations physiques de FBUS. L'un d'eux est un bus dans lequel le protocole FBUS s'exécute au-dessus de la norme RS485. De plus, il existe une implémentation de FBUS dans un réseau Ethernet industriel.

FBUS peut difficilement être qualifié de protocole à haut débit ; le temps de réponse dépend fortement du nombre de modules d'E/S sur le bus et des paramètres d'échange ; il varie généralement de 0,5 à 10 millisecondes. Un nœud esclave FBUS ne peut contenir que 64 modules d'E/S. Pour un bus de terrain, la longueur du câble ne peut pas dépasser 1 mètre, on ne parle donc pas de systèmes distribués. Ou plutôt, c'est le cas, mais uniquement lors de l'utilisation d'un réseau FBUS industriel sur TCP/IP, ce qui signifie une augmentation plusieurs fois du temps d'interrogation. Des rallonges de bus peuvent être utilisées pour connecter des modules, ce qui permet un placement pratique des modules dans l'armoire d'automatisation.

Contrôleur Fastwel avec modules d'E/S connectés. Source: Ingénierie de contrôle Russie

Total : comment tout cela est utilisé en pratique dans les systèmes de contrôle de processus automatisés

Naturellement, la variété des types de protocoles de transfert de données industriels modernes est bien plus grande que celle décrite dans cet article. Certains sont liés à un fabricant spécifique, d'autres, au contraire, sont universels. Lors du développement de systèmes de contrôle de processus automatisés (APCS), l'ingénieur sélectionne les protocoles optimaux, en tenant compte des tâches et restrictions spécifiques (techniques et budgétaires).

Si nous parlons de la prévalence d'un protocole d'échange particulier, nous pouvons fournir un schéma de l'entreprise HMS Networks AB, qui illustre les parts de marché de diverses technologies d'échange dans les réseaux industriels.

Source: HMS Networks AB

Comme le montre le schéma, PRONET et PROFIBUS de Siemens occupent les premières positions.

Fait intéressant, il y a 6 ans 60 % du marché était occupé par les protocoles PROFINET et Ethernet/IP.

Le tableau ci-dessous contient des données récapitulatives sur les protocoles d'échange décrits. Certains paramètres, par exemple les performances, sont exprimés en termes abstraits : haut/bas. Des équivalents numériques peuvent être trouvés dans les articles sur l’analyse des performances. 

	EtherCAT	LIEN PUISSANT	PROFINET	EtherNet / IP	ModbusTCP
Couche physique	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX	100/1000 BASE-TX
Niveau de données	Canal (trames Ethernet)	Canal (trames Ethernet)	Canal (trames Ethernet), Réseau/transport (TCP/IP)	Réseau/Transport (TCP/IP)	Réseau/Transport (TCP/IP)
Assistance en temps réel	Oui	Oui	Oui	Oui	Aucun
Performance	Haut	Haut	IRT – élevé, RT – moyen	Moyenne	faible
Longueur de câble entre les nœuds	100м	100m/2km	100м	100м	100м
Phases de transfert	Aucun	Isochrone + asynchrone	IRT – isochrone + asynchrone, RT – asynchrone	Aucun	Aucun
Nombre de nœuds	65535	240	Limitation du réseau TCP/IP	Limitation du réseau TCP/IP	Limitation du réseau TCP/IP
Résolution des collisions	Topologie en anneau	Synchronisation d'horloge, phases de transmission	Topologie en anneau, phases de transmission	Commutateurs, topologie en étoile	Commutateurs, topologie en étoile
Remplacement à chaud	Aucun	Oui	Oui	Oui	En fonction de la mise en œuvre
Coût de l'équipement	faible	faible	Haut	Moyenne	faible

Les domaines d'application des protocoles d'échange, des bus de terrain et des réseaux industriels décrits sont très divers. Des industries chimiques et automobiles à la technologie aérospatiale et à la fabrication électronique. Les protocoles d'échange à grande vitesse sont recherchés dans les systèmes de positionnement en temps réel pour divers appareils et en robotique.

Avec quels protocoles avez-vous travaillé et où les avez-vous appliqués ? Partagez votre expérience dans les commentaires. 🙂

Source: habr.com