Pourquoi le contrôle déterministe est essentiel pour les systèmes modernes

05
juillet

Les arguments accumulés en faveur du contrôle déterministe

• Par :Brian McMorris
• EtherCat
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Par Dave Perkon, rédacteur technique
Réimprimé de Control Design, 27 juin 2019

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulating-case-for-deterministic-control/

Que doivent savoir les constructeurs de machines, les intégrateurs de systèmes et les fabricants sur les réseaux sensibles au temps (TSN) ? En termes simples, c'est mieux Ethernet.

Ce qui représentait autrefois de nombreux réseaux et passerelles pour répondre aux exigences de performances ne sera plus qu'un contrôle et des informations déterministes sur un seul câble.

En plus de meilleures performances, il sera facile à utiliser, mais les intégrateurs et les utilisateurs finaux sont heureux de prendre en charge les solutions actuelles.

«Je ne pense pas que TSN compliquera les choses pour les intégrateurs impliqués dans la fabrication avancée et la robotique», déclare Brian D McMorris, président de Futura Automation à Scottsdale, en Arizona. "Nous sommes un intégrateur en usine. Nous ne connaissons pas grand-chose du monde informatique, mais la structure et la vision de notre entreprise sont axées sur l'Industrie 4.0, dont une grande partie est exécutée en usine. Par exemple, nous sommes dans le monde du système d'exécution de la fabrication (MES) au niveau des applications avec la gamme de logiciels Tulip Interface. Nous fournissons des capacités de services sur le terrain et aidons les clients à mettre en œuvre les avantages d'un MES, d'un système informatisé de gestion de la maintenance (CMMS) et d'un système de gestion de la qualité (QMS)."

Futura travaille avec l'informatique principalement du côté de la sécurité, en termes de solution basée sur le cloud et de manière dont les applications cloud sont sécurisées. "Je suis sûr qu'il serait bon que l'IEEE prenne un protocole parrainé par l'entreprise tel qu'EtherCAT et le transforme en un standard ouvert mondial sous les auspices d'une association industrielle, mais je ne vois pas vraiment de défauts d'EtherCAT aujourd'hui, autres que le coût de licence par appareil pour son utilisation", déclare McMorris.

Même si McMorris soutient les développements dans le domaine des technologies de réseau, il ne voit pas beaucoup de limites avec EtherCAT. « Nous utilisons EtherCAT avec nos variateurs Servotronix pour le contrôle multi-axes de nos robots de conception ouverte – cartésiens et delta », explique-t-il. "Il s'agit d'un réseau propriétaire très rapide avec une gigue nettement inférieure à 1 microseconde, mais il ne convient qu'à certaines exigences informatiques en temps réel matérielles et logicielles dans la technologie d'automatisation."

Doug Putnam-Pite, directeur du développement logiciel chez Owens Design à Fremont, en Californie, reconnaît que les réseaux propriétaires tels qu'EtherCAT et CC-Link IE fournissent des communications en temps réel, mais il reconnaît également leurs limites. "L'inconvénient de ces technologies est qu'elles ne fonctionnent qu'avec des dispositifs de contrôle prenant en charge le protocole", explique Putnam-Pite. "Cela signifie que vous ne pouvez pas avoir sur le même réseau des appareils qui ne prennent pas en charge le protocole. Ces réseaux de bus de terrain doivent être séparés de tout autre réseau Ethernet dans l'outil. "

TSN peut autoriser les appareils qui ne peuvent actuellement pas communiquer en temps réel à le faire. « La mise en réseau sensible au temps offre aux intégrateurs davantage d'options sur la façon d'architecturer les systèmes de contrôle », explique Putnam-Pite. "Un outil doté d'un réseau sensible au temps peut être capable de décentraliser le contrôle, permettant aux appareils individuels de communiquer directement entre eux en temps réel, permettant ainsi de décharger un certain niveau de contrôle d'un contrôleur d'outil central. De plus, les PC peuvent être capables de communiquer avec des périphériques réseau sensibles au temps de manière semi-temps réel. "

Rapport d'avancement

« Pour que les constructeurs de machines, les intégrateurs de systèmes et les fabricants puissent déployer TSN, il doit être intégré aux protocoles d'automatisation industrielle et pris en charge par un ensemble suffisamment large de fournisseurs pour mettre en place un système », explique Paul Didier, coordinateur du banc d'essai TSN, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org) et architecte de solutions Internet des objets chez Cisco. "Ce n'est pas encore le cas, mais l'industrie travaille dur pour atteindre cet objectif (Figure 1)."

Figure 1 :Les tests des nombreuses parties de TSN sont en bonne voie par de nombreux leaders de l'industrie dans les domaines des réseaux, de l'automatisation et de l'électronique.
(Source :Consortium Internet industriel)

Des travaux sont en cours pour définir l'ensemble d'environ 12 normes IEEE 802 visant à répondre au déterminisme et à la qualité de service requis pour TSN, explique le Dr Al Beydoun, président de l'ODVA (www.odva.org). "De plus, l'interopérabilité doit être maintenue. L'achèvement du profil industriel CEI/IEEE 60802 pour TSN est essentiel, et cela est prévu pour la mi-2021", dit-il. "En attendant, les mises à jour des spécifications réseau telles que la spécification EtherNet/IP ne seront pas finalisées tant que la norme sous-jacente de TSN ne sera pas finalisée."

L'Ethernet standard n'est pas déterministe de par sa conception, déclare Michael Bowne, directeur exécutif de PI North America. « Les réseaux sensibles au temps sont une boîte à outils d'environ deux douzaines de normes IEEE qui créent un Ethernet déterministe standardisé », explique-t-il. "Maintenant que d'autres secteurs en dehors de l'automatisation industrielle s'intéressent à l'Ethernet déterministe, il existe un marché plus large pour ce matériel. L'idée est qu'à terme, cette technologie sera disponible à partir de puces commerciales prêtes à l'emploi (COTS). Parmi les normes IEEE de la boîte à outils TSN, nous en avons identifié environ une demi-douzaine qui sont particulièrement pertinentes pour l'automatisation industrielle. Ces normes abordent le déterminisme avec des fonctionnalités telles que la synchronisation, une faible latence, une haute disponibilité et une robustesse. "

Il est important d’établir des normes adéquates, et cela prendra du temps. « Comme mentionné ci-dessus, TSN est une boîte à outils composée de nombreuses normes différentes, et pas seulement d'une seule chose », explique Bowne. "Certains sont pertinents pour l'automatisation industrielle, d'autres non. Pour garantir que nous ne nous retrouvons pas avec différentes versions de TSN dans l'automatisation industrielle, un effort a été lancé, connu sous le nom de CEI/IEEE 60802. Il est actuellement composé d'ingénieurs de fournisseurs d'automatisation, petits et grands, pour assurer l'harmonisation entre les entreprises. "

L'usine numérique exige interopérabilité et simplicité des communications, déclare Armando Astarloa Cuéllar, PDG de l'ingénierie des systèmes sur puce chez Relyum. « TSN est l'Ethernet de nouvelle génération conçu expressément pour répondre à ces exigences », déclare-t-il. Bien que l'introduction de TSN soit progressive en fonction des secteurs, certains secteurs critiques comme le ferroviaire, l'automobile ou l'aérospatiale adoptent TSN comme réseau IT/OT standard dans leurs nouvelles plateformes.

Pourquoi devriez-vous vous soucier de TSN ?

« Du point de vue de l'utilisateur, à l'heure actuelle, le statut des réseaux sensibles au temps est quelque peu au point mort », déclare Paul Brooks, responsable du développement commercial, réseaux - IIPA, normes mondiales, OPC et réseaux sensibles au temps, chez Rockwell Automation. « Les normes TSN de l'IEEE 802 ont été publiées, mais elles assurent uniquement une interopérabilité au niveau des fonctionnalités, et non une interopérabilité au niveau du système », explique-t-il. « Par conséquent, du point de vue des fournisseurs, nous, en tant que communauté de l'automatisation industrielle, développons la norme CEI/IEEE 60802, qui déterminera le profil d'automatisation industrielle permettant à TSN d'assurer cette interopérabilité au niveau du système. »

Ce n'est que lorsque ces normes seront verrouillées que les organisations de protocole, telles que l'ODVA, pourront publier ce profil dans des spécifications, poursuit Brooks. "Certaines entreprises ont lancé des produits pré-standards et, même s'ils apporteront de la valeur aux utilisateurs, rien ne garantit que ces produits seront compatibles avec la norme finale", a-t-il déclaré.

En novembre 2018, la Fondation OPC a annoncé l'initiative Field Level Communication soutenue par un très large éventail d'acteurs industriels et informatiques :ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, entre autres, explique Didier de Cisco. « La vision est de viser une solution de communication IIoT ouverte, unifiée et basée sur des normes entre les capteurs, les actionneurs, les contrôleurs et le cloud, répondant à toutes les exigences de l'automatisation industrielle », explique-t-il. « L'initiative intégrera le travail du Commissariat sur la communication pub/sub et TSN (Figure 2). »

Figure 2 :La communication TSN avec OPC UA permettra aux applications de contrôle de fonctionner sur un réseau standard ouvert avec une grande variété d'autres trafics et applications, du capteur au cloud.
(Source :Hilscher)

TSN permet à toutes les applications de contrôle de s'appuyer sur un réseau ouvert et standardisé. "Ce réseau peut également prendre en charge une grande variété d'autres types de trafic et d'applications. Cette convergence et la capacité de communiquer, du capteur au cloud, sont les principales améliorations", explique Didier.

"TSN est conçu pour fournir une messagerie déterministe et une capacité en temps réel sur Ethernet standard afin d'assurer la communication des informations dans un laps de temps fixe et prévisible", explique Beydoun. "Les applications clés de TSN seront celles nécessitant un contrôle de synchronisation précis et des comportements de réseau déterministes. Cependant, Ethernet TSN est souhaité dans toute application industrielle où une bande passante plus élevée et une réponse réseau plus rapide sont souhaitées, comme c'est le cas dans les applications réseau transportant des informations audio et vidéo. L'évolutivité de TSN permettra la diffusion en continu de paquets à large bande passante avec une latence garantie à des taux de transfert Gigabit plus élevés. "

Pourquoi ai-je besoin de TSN ?

« De nombreux intégrateurs et constructeurs de machines remettent en question la nécessité du TSN et affirment que l'Ethernet industriel existant et les protocoles associés, tels que EtherNet/IP, EtherCAT et Profinet, répondent à leurs besoins. Par conséquent, « Pourquoi ai-je besoin de TSN ? » est une question courante », explique Bowne de PI North America. "C'est une solution valable, en particulier parce que bon nombre des techniques utilisées par TSN (synchronisation, réservation de bande passante, planification) sont celles que nous utilisons dans Profinet depuis plus de 15 ans. Si TSN avait existé à l'époque, nous l'aurions adopté et nous aurions épargné beaucoup d'efforts d'ingénierie. Et pourtant, Profinet a toujours permis au trafic lié au contrôle à grande vitesse de coexister clairement avec d'autres trafics liés à l'information. "

Le même principe s’applique exactement à TSN, alors encore une fois, pourquoi en avez-vous besoin ? « La réponse est subtile et liée à l'avenir des réseaux », explique Bowne. "À mesure que nous avançons vers le domaine de l'industrie 4.0/de l'Internet des objets industriel (IIoT), de plus en plus d'informations seront fournies aux systèmes de niveau supérieur. À terme, il semble qu'un certain aplatissement du modèle Purdue pourrait se produire. Même si TSN n'en est peut-être pas le moteur, il peut certainement être l'un des outils pour y parvenir. "

À l'avenir, nous envisageons qu'à mesure que de plus en plus de bande passante sera utilisée par les protocoles informatiques, TSN garantira que le trafic OT sensible au temps (d'où son nom) reçoive le déterminisme dont il a besoin, même sur des réseaux chargés avec d'autres trafics informatiques au mieux, explique Bowne. « Tant qu'ils partagent tous une base TSN commune, les fabricants peuvent alors commencer à mettre en œuvre des réseaux IT/OT convergés sans avoir à craindre que leur trafic OT soit sacrifié au détriment du trafic informatique », explique-t-il. "Nous souhaitons poursuivre cette philosophie de longue date car nous croyons qu'il est important d'utiliser le bon outil pour la bonne tâche :le protocole Profinet pour le déplacement des données, d'autres protocoles, par exemple OPC UA, pour le déplacement des informations, le tout sur un seul fil."

La feuille de route de l'intégration OT/IT ne s'arrête pas à une situation intermédiaire avec une pléthore d'appareils hétérogènes connectés via des passerelles, explique Cuéllar chez Relyum. "Au lieu de cela, cela implique l'adoption d'une technologie de communication au niveau du lien qui soit valable pour les deux mondes", dit-il. "De cette façon, il serait possible d'avoir une topologie d'échange de données tout-à-tout dans une installation homogène, semblable à un pilier (Figure 3)."

Figure 3 :Le pilier d'automatisation montre des connexions claires et à haut débit entre les périphériques d'E/S et les contrôleurs de l'usine vers l'usine, au niveau de l'entreprise et vers le cloud.
(Source :Belden via l'ingénierie système sur puce)

Ce pilier de l'automatisation est basé sur un article de blog intitulé "Qu'est-ce que TSN ? Un regard sur son rôle dans les futurs réseaux Ethernet", par René Hummen, architecte senior – technologie et innovation, chez Belden.

Dans ce contexte de pilier, le schéma traditionnel de communication et de cybersécurité basé sur plusieurs couches n’est plus valable. « Les éléments inclus dans les E/S sur le terrain communiqueraient directement avec les applications et les services activés dans le cloud distant », explique Cuéllar. "Il est donc essentiel de sécuriser la communication entre les différents appareils. Les exigences en temps réel de TSN représentent l'un des grands défis pour sécuriser ce type de réseau, car les mécanismes informatiques de cybersécurité traditionnels ne peuvent pas garantir la transmission des paquets avec la latence requise. "

TSN n'est pas un protocole
TSN n'est qu'une autre meilleure version d'Ethernet; ce n'est pas un protocole. « Ce qui s'améliore, c'est l'infrastructure sur laquelle reposent tous les protocoles basés sur Ethernet », déclare Bowne de PI. "TSN réside au niveau de la couche liaison de données (couche 2) du modèle IOS/OSI (Figure 4). Les protocoles vivent au niveau de la couche application (couche 7) du modèle ISO/OSI. Les passerelles traduisent les données entre les différents protocoles ou langues. "

Figure 4 : TSN réside dans la couche liaison de données 2 du modèle IOS/OSI et n'est pas un protocole résidant dans la couche application 7.
(Source :Pi Amérique du Nord)

TSN est conçu pour s'ajouter aux fonctionnalités du réseau existant. « Les fonctions réseau disponibles aujourd'hui et assurant des opérations fiables devraient l'être de la même manière après l'introduction de TSN », déclare Brooks chez Rockwell. "Cela ne devrait imposer aucun changement de comportement à moins qu'il n'y ait une nouvelle valeur qui justifie ce changement (Figure 5)."

Figure 5 :Une grande partie du matériel réseau et de la fiabilité fonctionnelle resteront les mêmes après l'introduction de TSN, mais une valeur ajoutée justifiera le changement.
(Source : Rockwell Automation)

En se concentrant sur EtherNet/IP, la mise en réseau sensible au temps est totalement indépendante du protocole de communication, poursuit Brooks. "La tâche des organisations de protocoles telles que l'ODVA et la Fondation OPC consiste simplement à définir comment leurs protocoles fonctionnent avec TSN et à rendre TSN aussi transparent que possible pour l'utilisateur", dit-il. "Et ils doivent le faire tout en faisant des mécanismes de qualité de service existants tels que DSCP (différentiated services code point) un acronyme que la plupart des constructeurs de machines et des intégrateurs de systèmes n'auront jamais besoin de comprendre !"

Comment TSN va-t-il aider une candidature ?

« Si nous faisons tous notre travail correctement, un constructeur de machines ou un intégrateur de systèmes n'aura pas beaucoup à interagir avec TSN », explique Bowne de PI North America. "Il sera facile à utiliser et transparent pour leurs tâches d'ingénierie, de configuration et de mise en service liées à Profinet. Il s'agit simplement d'une meilleure version de l'Ethernet utilisé aujourd'hui."

La mise en réseau sensible au temps est un outil qui facilite l'aplatissement des réseaux, mais ce n'est que l'un des outils qui rendent cela possible et pratique, explique Brooks de Rockwell. « Par exemple, la segmentation du réseau est au cœur d'une architecture réseau sécurisée », explique-t-il. "Les réseaux sensibles au temps ne facilitent pas la segmentation. Pour cela, vous devez utiliser des protocoles routés, et TSN ne prend pas en charge le routage."

Cependant, si plusieurs flux à large bande passante transitent par un seul câble, TSN peut certainement réduire les efforts d'ingénierie nécessaires pour garantir que la liaison réseau fonctionnera comme prévu, explique Brooks. "Chacun des appareils d'un réseau peut annoncer le volume du trafic et la fréquence périodique à laquelle ce trafic sera envoyé à l'infrastructure du réseau", explique-t-il. "L'infrastructure réseau peut planifier la charge du réseau en fonction du volume global du trafic circulant à travers le réseau. Elle peut également protéger les ressources du réseau pour garantir que ce volume de trafic puisse circuler à travers le réseau."

TSN permet aux différents protocoles IE d'utiliser un réseau unique et interconnecté pour toutes les applications de contrôle industriel, telles que les E/S, la sécurité et les mouvements, et de coexister avec d'autres appareils, par exemple des caméras vidéo et des applications, tout en conservant les exigences réseau déterministes sur lesquelles s'appuient les applications de contrôle, explique Paul Didier de Cisco. "De cette manière, les applications IoT industrielles peuvent accéder directement et en toute sécurité aux appareils finaux pour extraire des données et des informations très pertinentes qui ne peuvent souvent pas être gérées par une passerelle", explique-t-il.

À propos de l'auteur :Dave Perkon
Dave Perkon thumbDave Perkon est rédacteur technique pour Control Design. Il a conçu et géré des projets d'automatisation pour des entreprises Fortune 500 dans les secteurs médical, automobile, des semi-conducteurs, de la défense et de l'énergie solaire.