La mise en œuvre des concepts de production les plus avancés passe par une communication totalement intégrée, depuis le système ERP jusqu'à la machine. Pour faire tomber les barrières entre systèmes informatiques et systèmes d'automatisation, les utilisateurs d'équipements industriels se tournent de plus en plus vers le standard ouvert OPC UA. Néanmoins, lorsqu'il s'agit de process complexes avec des exigences de temps réel, OPC UA atteint ses limites. Time Sensitive Networking (TSN) pourrait bien changer la donne...
La complexité des tâches d'automatisation industrielle ne cesse de croître, ce qui entraîne le développement de concepts de contrôle distribué. Connectés via un réseau Ethernet industriel, les équipements périphériques sont de plus en plus dotés d'une intelligence propre. Les technologies d'automatisation gagnent ainsi en flexibilité et modularité, d'où une meilleure adéquation avec les besoins de l'utilisateur. Il n'est pas rare aujourd'hui que des modules de machine (ou des machines modulaires) soient dotés de leurs propres contrôleurs et assemblés pour former une machine complète et unique.
La communication est un des clés de la productivité
"Dans ce type de solutions, la productivité est conditionnée par l'efficacité de la communication entre les différents sous-ensembles et composants," explique Stefan Schönegger, Marketing Manager chez B&R. "Pour les fabricants de machines et d'installations industrielles, la mise en œuvre d'un process ne doit pas se heurter aux limitations inhérentes aux solutions propriétaires." Dans ce contexte, le standard ouvert OPC UA se présente comme le protocole de communication idéal, depuis l'automate jusqu'aux systèmes ERP.
OPC UA est déjà implémenté par tous les grands fabricants d'automatismes. Ce standard assure que les machines équipées d'automates de différents fabricants peuvent être coordonnées facilement au sein d'un seul et même système. Le protocole lui-même est indépendant de toutes plates-formes, et la pile de communication peut être portée sur n'importe quel système d'exploitation ou matériel embarqué. "OPC UA est le seul protocole qui combine tous ces avantages aussi efficacement," ajoute Stefan Schönegger.
L'apport du temps réel pour maximiser la productivité
Tant que les machines d'une usine fonctionnent comme des unités auto-suffisantes émettant et recevant sporadiquement des commandes et des données de diagnostic, OPC UA reste un excellent choix pour la communication de machine à machine. "Néanmoins, l'usine du futur sera bien différente," ajoute Stefan Schönegger. "Machines, robots et convoyeurs devront dialoguer les uns avec les autres en temps réel pour atteindre une productivité maximale."
"Il serait tout à fait possible techniquement de doter OPC UA de capacités temps réel, mais cela demanderait un effort de développement trop important et présenterait de nombreux inconvénients," ajoute-t-il. C'est pourquoi de nombreux fabricants d'automatismes et de robots ont uni leurs forces pour avancer dans une autre direction. Leur objectif : permettre à OPC UA d'utiliser TSN, une extension de la norme Ethernet IEEE 802.1 actuellement en cours de développement.
L'industrie automobile joue un rôle moteur dans le développement de TSN
Time-Sensitive Networking (TSN) désigne une série d'extensions qui sont actuellement en cours de développement et qui seront par la suite incluses dans la norme IEEE 802.1. Le but de ce développement est de doter Ethernet de capacités temps réel intrinsèques. "TSN présente l'énorme avantage d'être porté par l'industrie automobile. Les composants semi-conducteurs nécessaires seront ainsi disponibles très rapidement et moyennant un coût modéré," explique Stefan Schönegger.
Depuis plusieurs années, les quantités de données transmises à l'intérieur d'un véhicule augmentent de façon exponentielle. "Les bus utilisés jusqu'à présent n'ont plus une bande passante suffisante," rapporte Stefan Schönegger. Dans un premier temps, l'industrie automobile a donc adopté le standard 802.1 AVB (Audio Video Bridging) permettant un streaming synchronisé et priorisé des fichiers audio et vidéo. Ceci permet, par exemple, de transférer via Ethernet les images des caméras de recul.
Pour étendre ce standard à d'autres industries et d'autres applications, le groupe de travail AVB est devenu TSN. Parallèlement, l'industrie automobile souhaite que les applications et tâches de contrôle ayant des contraintes de sûreté fonctionnelle soient gérées via Ethernet. Pour cela, il faudra assurer des temps de cycle adaptés au temps réel ainsi qu'un comportement déterministe pour le réseau. "Ces besoins sont exactement les mêmes que ceux concernant l'automatisation des lignes de production," poursuit Stefan Schönegger. "Pour cette raison, nous avons décidé, avec d'autres fabricants d'automatismes, de doter OPC UA de capacités temps réel avec TSN.
Les mondes de l'IT et de l'automatisation industrielle se rencontrent
"Avec OPC UA TSN, nous créons un pont entre le monde de l'IT basé sur IP et les protocoles temps réel dur comme POWERLINK," affirme Stefan Schönegger. OPC UA TSN est la solution parfaite pour toutes les applications d'automatisation au niveau de l'usine, autrement dit au-dessus du niveau des machines et avec des exigences de temps réel moins strictes. En font partie la synchronisation de ligne, la communication avec les systèmes SCADA, les tâches de contrôle simples, ou encore le pilotage de convoyeurs. Toutes ces tâches requièrent des temps de cycle de 2 à 10 millisecondes et une gigue de quelques centaines de microsecondes.
Un choix limité de topologies réseau
"Même avec TSN, il sera techniquement impossible d'atteindre des temps de cycle inférieurs à 2 millisecondes," précise Stefan Schönegger. Le temps réel dur, qui concerne principalement les servovariateurs et les connexions capteurs ultra-rapides, restera le domaine réservé des protocoles Ethernet industriels comme POWERLINK. De plus, au-dessous du niveau des lignes, TSN présente un inconvénient : celui d'être optimisé pour les topologies en étoile que l'on trouve typiquement dans les solutions IT. L'utilisation de TSN avec des topologies en ligne (daisy-chain) comme celles que l'on trouve habituellement dans les machines se heurte à de nombreuses limitations.
Dans les années à venir, l'extension d'OPC UA à la l'automatisation des lignes aura de profondes répercussions sur la structure des machines et des installations industrielles. "Les bus de terrain classiques des réseaux d'usine deviendront inutiles," explique Stefan Schönegger. A l'avenir, il suffira de combiner OPC UA TSN et POWERLINK pour couvrir tous les besoins de communication de l'outil de production.
OPC UA et POWERLINK sont des protocoles purement logiciels dont les piles sont libres d'utilisation et portables sur n'importe quelle plate-forme. "Combiner OPC UA et POWERLINK donne un maximum de liberté pour l'ingénierie des machines et des installations industrielles," affirme Stefan Schönegger. L'identité du fabricant d'automates ne joue ici aucun rôle.
"A l'avenir, il suffira de combiner OPC UA TSN et POWERLINK pour couvrir tous les besoins de communication de l'outil de production." Stefan Schönegger, Marketing Manager, B&R