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Techniques

Vers un nouveau protocole pour simplifier la création des applications IIoT

Par Thomas Kruse, Product Manager Network Technology, Smart Home and Security, chez reichelt elektronik

Publication: 2 février

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Résolument tournées vers leur passage à l’industrie 4.0, les entreprises réalisent cette transition en partie grâce à leurs investissements dans de nouvelles infrastructures IT/OT...
 

Or, les entreprises se heurtent à une absence d’un réseau commun unifié et des difficultés à surmonter en termes de limites liées à la compatibilité du protocole Ethernet. Cela représente encore un obstacle à l’intégration des composants d’usine en temps-réel dans l’Internet des objets. Un nouveau protocole de communication semble prometteur. Il s’agit du Time Sensitive Networking (TSN), qui représente une extension de la norme Ethernet, et possède des capacités de communication en temps réel pour répondre à ces enjeux.

Ethernet, un protocole populaire mais limité

Compte tenu de l’augmentation constante des volumes de données dans les machines et les installations, le protocole Ethernet sonne comme une évidence pour les applications industrielles. En tant que principale norme mondiale pour la mise en réseau des ordinateurs, elle offre une largeur de bande de transmission élevée. À cela s’ajoute le groupe de protocoles TCP/IP, qui permet une transmission de données uniforme à l’échelle mondiale, au-delà des frontières des réseaux locaux individuels.

Les constructeurs de machines et d’installations ainsi que les entreprises d’automatisation ont, pour ces raisons, été particulièrement attirés par l’Ethernet en raison de la grande disponibilité de matériel peu coûteux, et issu de la production en série. Cependant, ce système a été développé seulement pour les environnements de bureau et n’a pas un comportement temporel déterministe, c’est-à-dire exactement prédéterminable, comme l’exigent certaines applications industrielles.

C’est la raison pour laquelle les fabricants de systèmes d’automatisation ont créé leurs propres protocoles en temps réel. En revanche, ces variantes industrielles s’écartent de la norme Ethernet et sont fondamentalement propriétaires. Elles ne sont donc pas compatibles entre elles ni avec les réseaux environnants. L’Ethernet industriel reste à ce jour essentiellement limité.

Redéfinir l’Ethernet avec un nouveau protocole de communication sécurisé et ouvert

Alors que les capteurs et les actionneurs sont de plus en plus équipés de leurs propres processeurs, le nombre de noeuds de réseau auto-intelligents est en constante augmentation. Pour leur mise en réseau universelle, il est nécessaire d’avoir un protocole de communication ouvert et capable de fonctionner en temps réel.

La combinaison de plusieurs protocoles et standards permet aujourd’hui de résoudre cette problématique : l’Open Platform Communications Unified Architecture, ou OPC UA, qui est un protocole de communication industrielle, le modèle de communication rapide Publisher-Subscriber (Pub/Sub) introduit par la Fondation OPC ainsi qu’à la nouvelle norme Ethernet Time Sensitive Networking (TSN créée par l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Il s’agit d’une extension de la norme Ethernet qui régule le comportement de transmission des paquets de données par la synchronisation temporelle, via un standard temporel uniforme, la planification du trafic et la configuration automatisée du système.

Ainsi, seule la combinaison du standard industriel OPC UA PubSub avec la technologie de communication TSN (OPC UA over TSN) permet de concevoir des applications en temps réel dans l’environnement industriel, sur la base de normes accessibles à tous. Elle garantit une transmission déterministe des données dans les grands réseaux convergents et fait disparaître la séparation qui existait auparavant entre les réseaux machines et informatiques. De plus, contrairement à l’ancien Ethernet industriel, OPC UA over TSN est un protocole totalement indépendant des fournisseurs, avec des implémentations logicielles open-source.

Cette redéfinition d’Ethernet a permis d’augmenter considérablement les performances : la technologie permet de créer des réseaux de plusieurs 10 000 noeuds qui peuvent communiquer jusqu’à 18 fois plus vite qu’avec tous les protocoles précédents, et qui peuvent également être gérés et configurés très facilement.

Une norme universelle pour la transmission des données

L’ajout du nouveau protocole TSN permet ainsi à l’informatique et à l’OT de fusionner dans un réseau commun, formant la base de toutes les applications de l’IIoT.

Les fabricants de processeurs ou de contrôle équipent dorénavant de plus en plus de produits avec la capacité TSN. Cette évolution est facilitée par l’intégration de la fonctionnalité TSN dans les semi-conducteurs de nombreux fabricants. Cela simplifie la réalisation de réseaux convergents basés sur l’Ethernet, sur lesquels une communication déterministe synchronisée en temps-réel a lieu parallèlement au trafic régulier de données.

Il sera ainsi, à l’avenir, plus simple de créer des applications réelles de l’IIoT pour l’industrie 4.0 sur la base de normes de protocole Ethernet applicables de manière universelle. Comme les coûts supplémentaires liés à la capacité TSN diminueront au fur et à mesure de son transfert vers les micropuces, les réseaux nouvellement installés devraient déjà avoir cette capacité en temps réel dans un avenir très proche.

Le protocole de communication TSN, combiné avec OPC UA PubSub, est donc en passe de s’imposer comme la norme mondiale universelle pour toutes les formes de transmission électronique de données, même au-delà des réseaux industriels. Aussi, les appareils terminaux sans capacité TSN peuvent également être exploités sans inconvénient via les réseaux TSN. Tôt ou tard, les commutateurs Ethernet seront équipés de TSN grâce à l’utilisation de puces adaptées aux normes, contribuant à fournir au protocole Ethernet une capacité en temps réel.

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