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Pour les utilisateurs et les exploitants, les réseaux industriels temps réel d'envergure soulèvent de nouvelles questions. En raison de l'accroissement du nombre de nœuds, l'ingénierie des réseaux devient plus complexe et plus coûteuse. A cela s'ajoute la nécessité d'intégrer des protocoles disparates. L'extension de la norme Ethernet avec Time-Sensitive-Network (TSN) et la combinaison de cette extension avec OPC UA apporteront une réelle amélioration sur ce plan. Les premières implémentations d'OPC UA TSN font actuellement l'objet de tests sur plusieurs bancs d'essais.

Depuis une quinzaine d'années, les fabricants d'équipement industriels recourent à différents protocoles Ethernet Industriel propriétaires pour assurer une communication suffisamment rapide et fiable dans l'environnement de production. Les utilisateurs de ces équipements sont ainsi souvent confrontés à la nécessité d'utiliser de nombreuses interfaces pour intégrer ces différents protocoles et réaliser un réseau industriel global. "Cette tâche prend du temps et coûte cher," rapporte Sebastian Sachse, Technology Manager Open Automation chez B&R. "Cela serait beaucoup plus simple si les machines parlaient toutes le même langage."

Aux difficultés causées par la coexistence de protocoles disparates s'ajoute également l'accroissement du nombre de nœuds. Configurer des réseaux temps réel d'envergure est une tâche fastidieuse où l'ingénierie trouve vite ses limites. A l'heure où l'IoT Industriel (IIoT) commence à être mis en œuvre, les réseaux où l'on compte plusieurs centaines de nœuds se multiplient.

L'Industrial Internet Consortium

En mars 2014, les sociétés AT&T, Cisco, General Electric, Intel et IBM ont fondé l'Industrial Internet Consortium. Un des objectifs de cette organisation à but non lucratif est de définir des architectures de référence et des frameworks rendant l'interopérabilité possible.

Un des principaux sujets sur lesquels travaille l'IIC est l'IoT Industriel (IIoT). La santé, les transports et la finance entrent également dans son champ d'action. L'IIC ne développe pas elle-même des standards mais coopère avec d'autres organisations comme l'IEEE, l'IETF, l'AVNU Alliance et la Fondation OPC.

De nombreuses sociétés se sont réunies pour faire avancer le développement d'OPC UA TSN.

Banc d'essai TSN

"En ce qui concerne l'IoT Industriel, un des aspects particulièrement intéressants des activités de l'IIC est le banc de test TSN," note S. Sachse. "Il nous faut aujourd'hui une technologie rendant les réseaux industriels plus flexibles et simplifiant la mise en réseau des machines et des installations industrielles. Le marché est quasiment unanime sur ce point : cette technologie sera OPC UA TSN." Le développement d'OPC UA est piloté par la Fondation OPC. Le consortium IIC est quant à lui fortement impliqué dans l'implémentation de TSN.

B&R a détecté le potentiel de TSN très tôt et ainsi adhéré à l'IIC. "Le consortium est la première organisation ayant commencé à tester TSN dans des conditions réelles," explique S. Sachse. B&R participe au banc de test TSN depuis sa mise en place, contribuant ainsi au développement de cette technologie. Dans ce cadre, le spécialiste de l'automatisation industrielle teste aussi l'interopérabilité de ses prototypes OPC UA TSN avec ceux des autres membres de l'organisation. Depuis mai 2017, ces tests impliquent les sociétés B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech et Xilinx. D'autres sociétés ou établissements comme Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University et Phoenix Contact y participent également.

Tests successifs pour évaluer les capacités de TSN

TSN est une extension de la norme Ethernet. Les améliorations apportées par cette extension dotent Ethernet d'une capacité temps réel. Les membres du banc de test ont successivement testé trois capacités fondamentales de TSN : la synchronisation temporelle, la planification du trafic (contrôle précis de l'instant d'envoi des paquets de données et des trames), et la configuration système automatisée avec un configurateur central (Central Network Configurator).

Pour permettre une communication temps réel industrielle, TSN doit remplir une exigence fondamentale : celle de la synchronisation temporelle selon 802.1AS-Rev. Le standard 802.1AS-Rev contient des définitions relatives à PTP (Precision Time Protocol), un protocole assurant que les horloges de tous les dispositifs du réseau sont synchrones. Dans les montages utilisés pour les tests, PTP a atteint une précision de moins de 100 nanosecondes, dépassant ainsi les attentes initiales.

La deuxième capacité fondamentale de TSN réside dans la transmission planifiée des paquets de données et des trames selon le standard IEEE 802.1 Qbv. L'ordonnanceur défini dans ce standard assure que les données temporellement critiques sont toujours prioritaires et que leur transmission n'est pas freinée par le trafic général du réseau.

Configuration dynamique

OPC UA TSN permet une mise en réseau plus simple et plus flexible des machines et des installations industrielles.

Le réseau utilisé lors des premières "plugfest" avait une configuration statique. La configuration dynamique définie dans IEEE 802.1 Qcc est actuellement testée. Dans ce deuxième type de configuration, tout nouvel appareil ajouté au réseau s'enregistre auprès d'un configurateur réseau central qui établit la connexion avec les autres appareils et reconfigure le réseau en conséquence.

Les différents éléments constitutifs de TSN interagissent parfaitement, non seulement en théorie, mais aussi dans la pratique, rendant ainsi possible une communication temps réel avec des composants Ethernet standard. Actuellement, il existe en fait deux bancs d'essai : un chez National Instruments à Austin au Texas, et un chez Bosch Rexroth en Allemagne. De plus, en avril 2017, l'association allemande Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0) a annoncé qu'elle réaliserait son propre banc de test TSN, en collaboration avec le centre de compétences Mittelstand 4.0 basé à Augsburg. Mittelstand 4.0 désigne une initiative allemande destinée à accompagner les petites et moyennes entreprises allemandes dans leur transformation digitale.

Le banc de test envisagé par la LNI 4.0 est une démonstration mobile transportable avec un camion. Avec leurs méthodes respectives, l'IIC et la LNI 4.0 poursuivent le même objectif : celui de l'interopérabilité totale. D'ailleurs, une collaboration entre ces deux initiatives est déjà programmée. B&R participera également au banc de test de la LNI.

Plug-and-produce

"Les bancs de test TSN prouvent que les cycles d'innovation se raccourcissent," note S. Sachse. La préparation du premier banc de test a débuté il y a seulement deux ans, et les capacités fondamentales de TSN sont déjà à maturité sur un plan technologique. "Une évolution aussi rapide est inhabituelle pour une technologie totalement nouvelle."

Le marché est actuellement en pleine mutation. Jusqu'à présent, les fournisseurs de systèmes de contrôle cherchaient à faire de leur technologie de communication un facteur différenciant. "Cette époque est révolue," lance S. Sachse. OPC UA TSN sera la norme qui harmonisera et standardisera entièrement la communication au-dessus du niveau contrôleur.

L'interopérabilité ainsi acquise simplifiera grandement la mise en service. Une fois le câble réseau enfiché, la communication sera déjà opérationnelle sur l'ensemble du réseau. "L'ère du plug-and-produce a déjà commencé," conclut S. Sachse.

Sebastian Sachse.

Technology Manager - Open Automation, B&R

"Il nous faut aujourd'hui une technologie rendant les réseaux industriels plus flexibles et simplifiant la mise en réseau des machines et des installations industrielles. Le marché est quasiment unanime sur ce point : cette technologie sera OPC UA TSN."

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