Pourquoi le contrôle déterministe est essentiel pour les systèmes modernes

5 juillet

Le cas croissant pour le contrôle déterministe

• Par : Brian McMorris
• EtherCat
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Par Dave Perkon, Rédacteur Technique
Reproduit depuis Control Design, 27 juin 2019

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

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

Ce qui était auparavant de nombreux réseaux et passerelles pour répondre aux exigences de performance sera un contrôle déterministe et de l'information sur un seul câble.

En plus de meilleures performances, ce sera facile à utiliser, mais les intégrateurs et utilisateurs finaux sont heureux de soutenir les solutions actuelles.

« Je ne pense pas que le 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, Arizona. « Nous sommes un intégrateur de shop floor. Nous ne connaissons pas grand-chose au monde IT, mais notre structure d'entreprise et notre vision sont axées sur l'Industrie 4.0, dont une grande partie s'exécute sur le shop floor. Par exemple, nous sommes dans le monde des systèmes d'exécution de fabrication (MES) au niveau applicatif avec la ligne logicielle Tulip Interface. Nous fournissons des capacités de services terrain et aidons les clients à mettre en œuvre les avantages d'un MES, de systèmes de gestion de maintenance informatisés (CMMS) et de systèmes de gestion de la qualité (QMS). »

Futura travaille avec l'IT principalement côté sécurité, en termes de sa solution cloud et de la façon dont les applications cloud sont sécurisées. « Je suis sûr qu'il sera bon que l'IEEE prenne un protocole sponsorisé par une entreprise comme EtherCAT et le transforme en standard ouvert mondial sous l'égide d'une association industrielle, mais je ne vois pas vraiment de lacunes d'EtherCAT aujourd'hui, autre que le coût de licence par appareil pour son utilisation », dit McMorris.

Alors que McMorris soutient les développements dans la technologie de réseau, avec EtherCAT il n'a pas vu beaucoup de limitations. « Nous utilisons EtherCAT avec nos entraînements Servotronix pour le contrôle multi-axes sur nos robots à conception ouverte – cartésiens et delta », dit-il. « C'est un réseau propriétaire très rapide avec un jitter substantiellement inférieur à 1 microseconde, mais il n'est adapté qu'à certaines exigences de calcul temps réel dur et souple dans la technologie d'automatisation. »

Doug Putnam-Pite, directeur du développement logiciel chez Owens Design à Fremont, Californie, apprécie que les réseaux propriétaires comme EtherCAT et CC-Link IE fournissent des communications temps réel, mais reconnaît aussi leurs limitations. « L'inconvénient de ces technologies est qu'elles ne fonctionnent qu'avec des dispositifs de contrôle qui supportent le protocole », dit Putnam-Pite. « Cela signifie que vous ne pouvez pas avoir des dispositifs sur le même réseau qui ne supportent pas le protocole. Ces réseaux de bus de terrain doivent être séparés de tout autre réseau Ethernet dans l'outil. »

Le TSN pourrait permettre à des dispositifs qui ne peuvent pas actuellement communiquer en temps réel de le faire. « Les réseaux sensibles au temps donnent aux intégrateurs plus d'options sur comment architecturer les systèmes de contrôle », dit Putnam-Pite. « Un outil avec un réseau sensible au temps peut être capable de décentraliser le contrôle, permettant aux dispositifs individuels de communiquer directement entre eux en temps réel, permettant à un certain niveau de contrôle d'être déchargé d'un contrôleur d'outil central. De plus, les PC pourraient être capables de communiquer avec des dispositifs de réseau sensible au temps d'une manière semi-temps-réel. »

Rapport d'avancement

« Pour que les constructeurs de machines, intégrateurs système et fabricants déploient le TSN, il doit être incorporé dans les protocoles d'automatisation industrielle et supporté par un ensemble suffisamment large de fournisseurs pour assembler un système », dit Paul Didier, coordinateur du testbed TSN, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org), et architecte de solution Internet of Things 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 du TSN sont bien avancés par de nombreux leaders de l'industrie dans le réseau, l'automatisation et l'électronique.
(Source : Industrial Internet Consortium)

Le travail est 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 le TSN, dit le Dr Al Beydoun, président d'ODVA (www.odva.org). « En plus, l'interopérabilité doit être maintenue. L'achèvement du profil industriel IEC/IEEE 60802 pour le TSN est clé, et c'est ciblé pour mi-2021 », dit-il. « En attendant, les mises à jour des spécifications de réseau comme la spécification EtherNet/IP ne seront pas finalisées tant que le standard sous-jacent du TSN ne sera pas finalisé. »

L'Ethernet standard n'est pas déterministe par conception, dit Michael Bowne, directeur exécutif chez 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 industries en dehors de l'automatisation industrielle s'intéressent à l'Ethernet déterministe, il y a un marché plus large pour le matériel. L'idée est que finalement cette technologie sera disponible à partir de puces commerciales off-the-shelf (COTS). Parmi les normes IEEE dans la boîte à outils TSN, nous en avons identifié environ une demi-douzaine particulièrement pertinentes pour l'automatisation industrielle. Ces normes abordent le déterminisme avec des fonctionnalités comme la synchronisation, la faible latence, la haute disponibilité et la robustesse. »

Il est important d'obtenir le bon standard, et cela prendra du temps. « Comme mentionné ci-dessus, le TSN est une boîte à outils de nombreuses normes différentes, et pas qu'une seule chose », dit Bowne. « Certaines sont pertinentes pour l'automatisation industrielle, et d'autres ne le sont pas. Pour s'assurer qu'on ne se retrouve pas avec différentes saveurs de TSN dans l'automatisation industrielle, un effort a été lancé connu sous le nom d'IEC/IEEE 60802. Il est actuellement composé d'ingénieurs de fournisseurs d'automatisation grands et petits pour assurer l'harmonisation entre entreprises. »

L'usine numérique exige l'interopérabilité et la simplicité dans les communications, dit Armando Astarloa Cuéllar, CEO, ingénierie system-on-chip, chez Relyum. « Le TSN est l'Ethernet de nouvelle génération conçu expressément pour répondre à ces exigences », dit-il. Bien que l'introduction du TSN sera progressive selon le secteur, certains critiques comme le ferroviaire, l'automobile ou l'aérospatial adoptent le TSN comme standard de réseau IT/OT dans leurs nouvelles plateformes.

Pourquoi devriez-vous vous soucier du TSN ?

« Du point de vue de l'utilisateur, à ce moment, le statut des réseaux sensibles au temps est un peu dans l'impasse », dit Paul Brooks, responsable développement commercial, réseaux – IIPA, standards globaux, OPC et réseaux sensibles au temps, chez Rockwell Automation. « Les standards TSN dans IEEE 802 ont été publiés, mais ils ne fournissent que l'interopérabilité au niveau des fonctionnalités, pas au niveau système », dit-il. « Par conséquent, du point de vue des fournisseurs, nous en tant que communauté d'automatisation industrielle développons l'IEC/IEEE 60802, qui déterminera le profil d'automatisation industrielle pour le TSN pour fournir cette interopérabilité au niveau système. »

Ce n'est que lorsque ces standards seront verrouillés que les organisations de protocoles, comme ODVA, pourront publier ce profil dans les spécifications, continue Brooks. « Certaines entreprises ont sorti des produits pré-standard, et, bien qu'ils apportent de la valeur utilisateur, il n'y a aucune garantie que ces produits seront compatibles avec le standard final », dit-il.

En novembre 2018, la OPC Foundation a annoncé l'initiative Field Level Communication soutenue par un ensemble très large d'acteurs industriels et IT : ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, entre autres, dit Didier de Cisco. « La vision est de viser une solution de communication IIoT ouverte, unifiée, basée sur les standards entre capteurs, actionneurs, contrôleurs et cloud adressant toutes les exigences de l'automatisation industrielle », dit-il. « L'initiative incorporera le travail de l'OPC 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 ouvert, standard avec une grande variété d'autres trafics et applications – capteur vers cloud.
(Source : Hilscher)

Le TSN permet à toutes les applications de contrôle de s'appuyer sur un réseau ouvert, standard. « Ce réseau peut aussi supporter une énorme variété d'autres types de trafic et d'applications. Cette convergence et la capacité de communiquer, capteur vers cloud, sont les améliorations clés », dit Didier.

« Le TSN est conçu pour fournir une messagerie déterministe et une capacité temps réel sur Ethernet standard afin d'assurer la communication d'informations dans une quantité de temps fixe et prévisible », explique Beydoun. « Les applications clés du TSN seront celles nécessitant un contrôle de timing précis et des comportements de réseau déterministes. Cependant, l'Ethernet TSN est désiré dans toute application industrielle où une bande passante plus élevée et une réponse réseau plus rapide est désirée comme dans les applications réseau transportant des informations audio et vidéo. L'évolutivité du TSN permettra le streaming de paquets à haute bande passante avec une latence garantie à des taux de transfert Gigabit plus élevés. »

Pourquoi ai-je besoin du TSN ?

« Beaucoup d'intégrateurs et constructeurs de machines remettent en question le besoin de TSN et affirment que l'Ethernet industriel existant et les protocoles associés, comme EtherNet/IP, EtherCAT et Profinet, répondent à leurs besoins, donc 'Pourquoi ai-je besoin du TSN ?' est une question courante », dit Bowne chez PI North America. « C'est une question valide, particulièrement parce que beaucoup des techniques employées par le TSN – synchronisation, réservation de bande passante, ordonnancement – sont celles qu'on utilise dans Profinet depuis plus de 15 ans. Si le TSN avait existé à l'époque, nous l'aurions adopté et nous serions épargnés beaucoup d'efforts d'ingénierie. Et pourtant Profinet a toujours permis au trafic de contrôle à haute vitesse de coexister simplement avec d'autres trafics d'information. »

Le même principe exact s'applique au TSN, donc, encore une fois, pourquoi en avez-vous besoin ? « La réponse est subtile et liée au futur du réseau », dit Bowne. « Alors que nous entrons dans le domaine Industrie 4.0/Internet Industriel des Objets (IIoT), de plus en plus d'informations seront fournies aux systèmes de niveau supérieur. Finalement, il semble que certains aplatissements du modèle Purdue puissent se produire. Bien que le TSN ne soit pas le moteur de cela, il peut certainement être l'un des outils pour l'activer. »

Dans le futur, nous envisageons que à mesure que de plus en plus de bande passante est utilisée par les protocoles IT, le TSN assurera que le trafic OT sensible au temps – d'où le nom – reçoit le déterminisme dont il a besoin, même sur des réseaux chargés avec d'autres trafics IT au meilleur effort, explique Bowne. « Tant qu'ils partagent tous une fondation TSN commune, les fabricants peuvent commencer à mettre en œuvre des réseaux IT/OT convergés sans avoir à s'inquiéter que leur trafic OT soit sacrifié au profit du trafic IT », dit-il. « Nous voulons continuer cette philosophie de longue date car nous croyons à l'utilisation du bon outil pour la bonne tâche : le protocole Profinet pour déplacer les données, d'autres protocoles, par exemple OPC UA, pour déplacer l'information, tout sur un seul fil. »

La feuille de route d'intégration OT/IT ne se termine pas dans une situation intermédiaire avec une pléthore de dispositifs hétérogènes connectés via des passerelles, dit Cuéllar chez Relyum. « Au lieu de cela, elle élève l'adoption d'une technologie de communication au niveau lien qui est valide pour les deux mondes », dit-il. « De cette façon, il serait faisable une topologie d'échange de données all-to-all dans une usine homogène, similaire à un pilier (Figure 3). »

Figure 3 : Le pilier d'automatisation montre des connexions claires, à haute vitesse entre les dispositifs E/S du shop floor et contrôleurs vers l'usine, le niveau entreprise et vers le cloud.
(Source : Belden via System-On-Chip Engineering)

Ce pilier d'automatisation est basé sur un article de blog intitulé « What is TSN? A Look at Its Role in Future Ethernet Networks », par René Hummen, architecte senior – technologie et innovation, chez Belden.

Dans ce contexte de pilier, le schéma traditionnel de communication et cybersécurité basé sur les couches n'est plus valide. « Les éléments inclus dans l'E/S terrain communiqueraient directement avec les applications et services activés dans le cloud distant », explique Cuéllar. « Ainsi, il est critique de sécuriser la communication entre les différents dispositifs. Les exigences temps réel du TSN représentent l'un des grands défis pour sécuriser ce genre de réseau car les mécanismes de cybersécurité IT traditionnels ne peuvent pas garantir la transmission de paquets avec la latence requise. »

Le TSN n'est pas un protocole

Le 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 tous les protocoles basés sur Ethernet existent », dit Bowne de PI. « Le TSN vit à la couche liaison de données (Couche 2) du modèle IOS/OSI (Figure 4). Les protocoles vivent à la couche application (Couche 7) du modèle ISO/OSI. Les passerelles traduisent les données entre les différents protocoles, ou langages. »

Figure 4 : Le TSN réside dans la Couche Liaison de Données 2 du modèle IOS/OSI et n'est pas un protocole, qui réside dans la Couche Application 7.
(Source : PI North America)

Le TSN est conçu pour être additif aux fonctionnalités réseau existantes. « Les fonctions réseau disponibles aujourd'hui et offrant des opérations fiables devraient être disponibles de la même manière après l'introduction du TSN », dit Brooks chez Rockwell. « Il ne devrait forcer 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 restera la même après l'introduction du TSN, mais il y aura de la valeur ajoutée pour justifier le changement.
(Source : Rockwell Automation)

En se concentrant sur EtherNet/IP, les réseaux sensibles au temps sont complètement indépendants du protocole de communication, continue Brooks. « La tâche pour les organisations de protocoles comme ODVA et OPC Foundation est simplement de définir comment leurs protocoles fonctionnent avec le TSN et de rendre le TSN aussi transparent que possible pour l'utilisateur », dit-il. « Et ils doivent faire cela tout en faisant en sorte que les mécanismes de qualité de service existants comme DSCP (differentiated services code point) soient un acronyme que la plupart des constructeurs de machines et intégrateurs système n'auront jamais besoin de comprendre ! »

Comment le TSN aidera-t-il une application ?

« Si nous faisons tous notre travail correctement, un constructeur de machines ou intégrateur système n'aura pas à interagir avec le TSN beaucoup du tout », dit Bowne chez PI North America. « Il sera facile à employer et transparent pour leurs tâches liées à Profinet d'ingénierie, configuration et mise en service. C'est juste une meilleure version de l'Ethernet employé aujourd'hui. »

Les réseaux sensibles au temps sont un outil qui rend l'aplatissement des réseaux plus facile, mais ce n'est qu'un des outils qui rendent cela possible et pratique, dit Brooks chez Rockwell. « Par exemple, la segmentation du réseau est le cœur d'une architecture réseau sécurisée », explique-t-il. « Les réseaux sensibles au temps n'aident pas avec la segmentation. Pour cela, vous avez besoin d'utiliser des protocoles routés, et le TSN ne supporte pas le routage. »

Cependant, si vous avez plusieurs flux à haute bande passante passant par un seul câble, alors le TSN peut certainement réduire les efforts d'ingénierie requis pour savoir que le lien réseau fonctionnera comme prévu, explique Brooks. « Chacun des dispositifs sur un réseau peut annoncer le volume de trafic et le taux périodique auquel ce trafic sera envoyé à l'infrastructure réseau », dit-il. « L'infrastructure réseau peut planifier la charge réseau basée sur le volume global de trafic circulant dans le réseau. Elle peut aussi protéger les ressources réseau pour aider à assurer que ce volume de trafic peut circuler dans le réseau. »

Le TSN permet aux divers protocoles IE d'utiliser un seul réseau interconnecté pour toutes les applications de contrôle industriel, comme E/S, sécurité et mouvement, et de co-exister avec d'autres dispositifs, par exemple caméras vidéo, et applications tout en maintenant les exigences de réseau déterministes sur lesquelles les applications de contrôle comptent, dit Paul Didier chez Cisco. « De cette façon, les applications Industrial IoT peuvent accéder directement et en toute sécurité aux dispositifs finaux pour extraire des données et informations très pertinentes qui souvent ne peuvent pas être gérées par une passerelle », dit-il.

À propos de l'auteur : Dave Perkon

Dave Perkon est rédacteur technique pour Control Design. Il a ingénierisé et géré des projets d'automatisation pour des entreprises Fortune 500 dans les secteurs médical, automobile, semi-conducteurs, défense et solaire.