Exploiter les données temps réel pour le contrôle précis des systèmes industriels modernes

L'ordonnanceur d'un OS haut niveau conventionnel (Windows, macOS) vise à maximiser l'utilisation CPU. Plusieurs utilisateurs veulent exécuter de nombreuses applications à la fois. Tous processus et threads sous-jacents doivent obtenir leur part équitable de temps CPU.

Figure 1. Représentation d'un système d'exploitation industriel. Image utilisée avec l'autorisation de Pixabay.

Un OS temps réel, lui, a d'autres objectifs. Il doit garantir que chaque thread s'exécute strictement dans un délai préalablement déterminé et dans un ordre valide. Maximiser l'utilisation CPU et le débit sans égard au timing et à l'ordre d'exécution ne suffit pas face aux contraintes temporelles réelles courantes en industrie.

Cet article explore ce que les ingénieurs peuvent faire en concevant une application exigeant haut débit de données, latence précise, et contrôle du jitter.

Différentes machines et leurs besoins en réseau

Un système purement temps réel est souvent la solution pour un équipement unique isolé de son environnement.

Mais les ateliers modernes comprennent bien plus que la machinerie de production. Avec l'IIoT (Internet Industriel des Objets), l'Industrie 4.0, et l'edge computing en croissance constante, les exigences de communication dans un même atelier deviennent plus complexes. Partiellement à cause de l'augmentation des appareils connectés, mais aussi des exigences de communication différentes de chaque appareil.

Dans ce contexte, on utilise souvent les termes OT (Operational Technology) et IT (Information Technology) pour classifier les deux catégories distinctes de communication réseau. L'OT = trafic critique temps, ex. : signal d'une machine à un bras robotique quand une pièce est prête pour prélèvement. L'info doit atteindre tous destinataires dans un délai donné.

Figure 2. Réseau industriel de machinerie.

L'IT, en revanche, exige souvent un débit de données plus élevé. Typiquement : flux vidéo (caméra surveillance), applications bureautiques (e-mail). En IT, le débit prime. Fiabilité, latence, jitter : souvent secondaires.

Les ingénieurs veulent concevoir un réseau unique capable de satisfaire IT et OT sans complexité ni coût excessifs — un article précédent a détaillé ces deux concepts. Il examine aussi comment le TSN (Time-Sensitive Networking) résout la fusion trafic IT/OT sur un même réseau, et comment le matériel réseau (ex. Layerscape LS1028A) aide à concevoir des solutions industrielles modernes.

Pourquoi OT et IT vont de pair : exemple d'application

Fonctions temps réel et non temps réel ne sont plus séparées dans les environnements modernes de systèmes de contrôle industriel. Elles doivent travailler main dans la main pour qu'une usine fonctionne efficacement et correctement.

Une centrale électrique : exemple concret avec centaines de dispositifs connectés via différentes normes. Divers capteurs rapportent périodiquement leurs lectures en temps réel : température, pression, détection gaz nocifs produits par le process.

Figure 3. Manomètres dans une laiterie.

Les données de ces capteurs ne sont valides, exactes, utiles que pour une courte période — typiquement jusqu'à la lecture suivante. Donc le premier point d'entrée collectant et agrégeant les données capteurs doit le faire en temps réel.

Dans cet exemple, capteurs éloignés, zones difficiles d'accès. Connectés via réseau sans fil, le premier point d'accès communiquant avec eux doit avoir capacités temps réel.

En plus des capteurs, la machinerie contient de nombreux modules E/S connectant par ex. des actionneurs. Ici, ingénieurs ont choisi réseau câblé pour connecter modules E/S et automate programmable (PLC).

Modules E/S, actionneurs, PLC travaillent tous en temps réel ; un pont de communication temps réel est requis pour les relier. Modules E/S nécessitent probablement microcontrôleur en bare-metal, PLC et pont communication utiliseront microprocesseur sous OS temps réel (ex. logiciel NXP real-time edge).

Systèmes IT plus en amont collectent statistiques, surveillent le système global, transmettent vidéo caméras. Ces systèmes ne tournent pas sous OS temps réel. De même, transmission données vers/depuis IT n'est pas temps réel.

Une solution logicielle supportant OT et IT

Au-delà du réseau, il serait bénéfique de fusionner opérations IT et OT sur un seul processeur. Cela réduirait complexité et coût global vs processeur dédié tâches critiques + processeur opérations moins critiques. Un OS temps réel joue un rôle clé dans applications critiques temps.

Figure 4. Diagramme de blocs du logiciel NXP real-time edge. Image utilisée avec l'autorisation de NXP.

Certaines solutions logicielles existantes permettent aux ingénieurs de construire des applications critiques temps sécurisées, scalables, maintenables, avec Linux open-source. Avec son logiciel real-time edge, NXP fournit un environnement temps réel sécurisé et fiable pour applications exigeant latence déterministe et jitter prévisible.

Applications typiques : appareils connectés dans divers domaines pro : contrôle industriel, automatisme bâtiment, contrôle automobile, sécurité, infodivertissement.

Résumé

De nombreux systèmes commerciaux exigent timing précis et latence déterministe en communiquant avec d'autres équipements. Avec l'augmentation des appareils connectés, les ingénieurs cherchent à intégrer trafic OT et IT sur un réseau unique. Trafic OT = infrastructure réseau temps réel fiable ; données IT = débit élevé.

Le logiciel temps réel de NXP crée des réseaux capables de fusionner OT et IT sur une seule ligne via Ethernet TSN. Cela peut réduire complexité et coût global du réseau. NXP offre aussi le logiciel real-time edge composé de trois blocs principaux, chacun supportant différents aspects clés de la communication temps réel.