Utiliser Ethernet industriel comme alternative robuste et déterministe au protocole Ethernet standard

Ethernet est la norme de mise en réseau filaire la plus largement répandue pour les réseaux locaux (LAN) et les réseaux étendus (WAN). Même si la communication Ethernet standard semble souvent instantanée, rien ne garantit en fait que les paquets de données envoyés via le réseau arrivent au port de destination dans un délai bien défini.

Ce non-déterminisme peut poser problème dans les applications industrielles où un message retardé peut entraîner l'arrêt d'une ligne de production ou blesser le personnel. Pour obtenir ce déterminisme, il est possible d'utiliser une version « industrielle » modifiée des protocoles Ethernet.

Cet article traite des éléments clés du protocole Ethernet industriel et étudie deux commutateurs Ethernet de Delta Electronics pouvant servir de base à un réseau Ethernet industriel déterministe.

Nécessité d'avoir un protocole Ethernet déterministe

Ethernet est une norme de mise en réseau physique qui définit les câbles et les connecteurs physiques utilisés pour transmettre des paquets de données via un réseau. L'Ethernet standard utilise la suite de protocoles TCP/IP pour définir la manière dont les données sont échangées entre les dispositifs connectés au réseau. Cependant, même dans un réseau local, les protocoles TCP/IP ne sont pas déterministes et peuvent également générer des retards allant jusqu'à plusieurs centaines de millisecondes. Ces retards ne sont pas acceptables dans des réseaux locaux industriels qui connectent des systèmes d'automatisation industriels. Ces systèmes dépendent souvent de paquets de données ou de messages qui doivent arriver dans un laps de temps défini et requièrent des délais de réponses rapides de 10 ms, voire inférieurs à 1 ms dans certains cas extrêmes.

Profinet est un autre format de trame Ethernet populaire (aussi appelé protocole de communication) utilisé dans les réseaux industriels. Profinet a été développé en tant qu'alternative plus simple pour remplacer la suite TCP/IP complète. Une version en temps réel de cette solution, Profinet RT, établit un ordre de priorité des données pour pouvoir transmettre des messages de commande de processus très importants dans des délais plus serrés. Les messages d'état moins urgents sont moins prioritaires. Cependant, Profinet RT n'est toujours pas déterministe. Pour rendre cette solution déterministe, une version isochrone de Profinet RT a également été développée (Profinet IRT).

La solution Profinet IRT est devenue déterministe en superposant des créneaux temporels programmés sur la bande passante du réseau : les données IRT utilisent un créneau tandis que les données RT et IP utilisent l'autre. Les dispositifs du créneau IRT peuvent ainsi être cadencés pour recevoir des données de façon déterministe.

Il est important de noter que si un réseau Ethernet industriel s'appuie sur un protocole de communication déterministe comme Profinet IRT, tous les dispositifs connectés au réseau doivent également être compatibles avec Profinet IRT. Par conséquent, les dispositifs TCP/IP types, comme les caméras IP et les pare-feux matériels, ne fonctionnent pas avec ce réseau. Cela offre un niveau de sécurité supérieur en empêchant le personnel d'utiliser des dispositifs non autorisés sur le réseau.

Transition des concentrateurs Ethernet aux commutateurs plus robustes

Un concentrateur Ethernet fonctionne comme un répéteur, ce qui le rend par nature non déterministe. Les paquets de données reçus depuis un seul port sont transmis à tous les autres ports du réseau du concentrateur. Ainsi, si 25 ports sont connectés à un concentrateur et si le port 3 envoie des paquets de données destinés au port 22, le concentrateur n'envoie pas les paquets de données uniquement au port 22, mais à tous les ports. Étant donné que tous les ports connectés au concentrateur partagent la même bande passante, si d'autres ports sont ajoutés au concentrateur, ils se disputent tous cette bande passante. Cette situation peut occasionner des collisions et ainsi retarder les paquets de données et empêcher cette solution de devenir déterministe. De plus, avec cette configuration, un concentrateur ne peut envoyer qu'un seul message à la fois. Si un autre port a besoin d'envoyer des données, il doit patienter le temps que le réseau soit libre. C'est la raison pour laquelle les concentrateurs Ethernet sont par nature non déterministes.

Un commutateur réseau Ethernet, en revanche, est un dispositif intelligent. Il stocke l'adresse MAC (Media Access Control) unique de tous les dispositifs branchés sur le commutateur dans une table d'adresses MAC interne, qui se trouve généralement dans la RAM haute vitesse. Étant donné que le commutateur connaît l'adresse MAC de chaque dispositif auquel il est connecté, il peut transmettre des paquets de données uniquement au port supposé recevoir ces données. Ainsi, si le port 3 envoie des paquets de données au port 22, le commutateur envoie ces paquets de données au port 22 uniquement.

Un commutateur peut gérer plusieurs communications de données simultanées. Par exemple, le port 3 peut envoyer des données au port 22 en même temps que le port 4 envoie des paquets de données au port 7. Cela élimine les collisions inhérentes aux concentrateurs Ethernet, tout en rendant l'ensemble du réseau plus rapide, plus efficace et plus productif. Étant donné que l'unique décalage correspond à la vitesse de commutation connue du commutateur (spécifiée sur la fiche technique du commutateur), les commutateurs réseau sont nécessaires pour créer un réseau Ethernet déterministe.

Un commutateur réseau permet également de renforcer la sécurité. Étant donné qu'un port ne reçoit que les paquets de données qui lui sont destinés, le réseau ne peut pas être surveillé par un dispositif branché sur un seul port.

Les commutateurs Ethernet industriels sont également plus robustes que les commutateurs Ethernet commerciaux. Tandis que les commutateurs commerciaux conviennent aux utilisations peu intensives à la maison ou au bureau, les commutateurs Ethernet industriels sont adaptés aux environnements difficiles en usine et résistent aux vibrations plus intenses, aux chocs et aux températures extrêmes. De plus, les commutateurs Ethernet industriels sont conçus pour être utilisés en toute sécurité en présence de gaz explosifs et résistent aux atmosphères corrosives.

Ethernet sur rails DIN

Le dispositif DVS-005W01 à 5 ports et à montage sur rail DIN de Delta Electronics (Figure 1) est un très bon exemple de commutateur Ethernet industriel.

Figure 1 : Le commutateur Ethernet industriel DVS-005W01 de Delta Electronics est un commutateur robuste capable de résister aux environnements industriels difficiles. Il intègre cinq ports Ethernet et bénéficie de l'indice de protection IP40. (Source de l'image : Delta Electronics)

Tout comme n'importe quel commutateur Ethernet, le DVS-005W01 transmet des paquets de données uniquement aux ports de réception. Il prend en charge des vitesses de transmission 100Base-T allant jusqu'à 100 Mbps. La table d'adresses MAC prend en charge 1024 entrées, et une mémoire tampon de 512 Kb pour les paquets permet de stocker les paquets transférés. De plus, tandis que les commutateurs et les concentrateurs commerciaux n'utilisent qu'une seule alimentation, le DVS-005W01 possède deux entrées d'alimentation redondantes de 12 à 48 V. Par conséquent, si une alimentation est coupée, une alimentation de secours peut facilement être activée sans matériel externe supplémentaire.

Le DVS-005W01 prend en charge une vitesse de commutation interne de 1 Gbps, ce qui correspond à la vitesse interne du commutateur réseau lors du traitement de paquets de données entrants et sortants. Il s'agit d'une spécification importante concernant le comportement déterministe, car plus la commutation est rapide, plus le délai est court.

Pour des réseaux industriels plus complexes, Delta Electronics propose également le commutateur Ethernet DVS-016W01 à 16 ports (Figure 2).

Figure 2 : Le commutateur DVS-016W01 de Delta Electronics inclut 16 ports Ethernet et se monte sur un rail DIN ou sur un mur. (Source de l'image : Delta Electronics)

Le commutateur DVS-016W01 est doté d'une table d'adresses MAC qui prend en charge 8192 entrées et d'une mémoire tampon pour les paquets de 1 Mbit. Il présente une vitesse de commutation interne de 3,2 Gbps.

Les commutateurs à 5 ports et à 16 ports de Delta Electronics sont des commutateurs non administrés, ce qui signifie qu'il s'agit de composants de type plug-and-play. Lorsqu'un dispositif réseau est branché sur l'un des ports, le commutateur détecte automatiquement l'adresse MAC du dispositif et la stocke dans sa table d'adresses MAC interne. La détection automatique des adresses MAC s'effectue également lorsque le commutateur est raccordé à l'alimentation. Les commutateurs administrés présentent plus de fonctionnalités de contrôle du trafic par port qui doivent être configurées lors de l'installation.

Pour compléter les commutateurs, il existe des câbles industriels Ethernet répertoriés IP67 ou IP68. Ces câbles Ethernet conviennent à un usage intensif et peuvent résister à des températures extrêmes (chaudes ou froides), à des solvants corrosifs, à une immersion dans l'eau et à d'autres agressions. Les câbles Ethernet industriels supportent également davantage les contraintes (courbure, torsion, étirement et choc) auxquelles ils peuvent être soumis en usine.

Conclusion

Les applications d'automatisation industrielles présentent des exigences en matière de latence des communications, de déterminisme et de robustesse matérielle qui vont bien au-delà des capacités des protocoles Ethernet standard. Cependant, comme indiqué ici, les concepteurs et les ingénieurs d'exploitation peuvent fournir un réseau Ethernet de classe industrielle en utilisant des protocoles de communication déterministes ainsi que des commutateurs et des câbles prêts à l'emploi.