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PROFINET IRT : quand le temps réel ne suffit plus

Pourquoi ai-je besoin de PROFINET IRT ?

Les protocoles de communication industrielle comme PROFINET, EtherCAT et Ethernet/IP sont considérés comme des protocoles de communication temps réel. Ils sont capables de proposer des temps de cycle d'1 milliseconde et une gigue comprise entre 10 et 100 microsecondes.

Mais dans certains cas, même un tel niveau de performances ne suffit pas. Le cœur du problème est le suivant : transmettre et traiter des données prend du temps. Dans certaines applications, ce temps doit être synchronisé avec une précision absolue pour réaliser correctement les étapes de production.

C'est notamment le cas du contrôle de mouvements, domaine dans lequel les exigences en matière de vitesse et de performances de la communication des données ont augmenté au point où les temps de cycle de PROFINET temps réel standard ne suffisent plus, et où d'autres indicateurs clés comme la gigue et le déterminisme ne satisfont plus les normes imposées.

Prenons l'exemple d'un bras robotique devant se trouver dans une position définie avec précision à un moment spécifique pour attraper ou traiter une pièce. La moindre avance ou le plus infime retard du bras peut avoir de graves répercussions sur le processus. Ici, la rapidité et la fiabilité de la transmission et du traitement des données doivent être optimales.

PROFINET IRT est utilisé lorsque la communication temps réel standard atteint ses limites et qu'une synchronisation extrêmement précise à une vitesse exceptionnellement élevée de communication des données est nécessaire.

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.

Comment fonctionne PROFINET IRT ?

PROFINET IRT exige un déterminisme strict dans la transmission de paquets de données spécifiques sur le réseau. En d'autres termes, les données doivent être reçues, traitées et transférées dans un ordre précis, pendant une période prédéterminée, sans être affectées par des facteurs comme les collisions ou la gigue du réseau.

Pour ce faire, un réseau PROFINET IRT attribue des créneaux spécifiques à la gestion des données critiques. Par exemple, si 20 % du trafic réseau sont réservés à la communication IRT (PROFINET IRT), le trafic est divisé en cinq segments temporels :

  • Un dédié à la communication IRT
  • Les quatre autres réservés à la communication temps réel normale

Le réseau fonctionne alors comme un réseau PROFINET standard 80 % du temps. Pendant les 20 % restants, seuls les paquets de données PROFINET IRT sont traités, afin de garantir une transmission synchronisée et déterministe. Lors de la communication IRT, les paquets de données PROFINET classiques sont mis en tampon, puis traités à l'issue du segment IRT.

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.

Pour que ce système fonctionne efficacement, un réseau PROFINET IRT doit répondre à deux exigences essentielles :

Synchronisation sur tous les appareils IRT

Tous les appareils PROFINET IRT doivent être engagés dans un cycle de synchronisation homogène. Pour ce faire, on utilise une horloge de haute précision partagée par tous les appareils et définie, de même que des mécanismes complémentaires tels que le Precision Time Protocol (PTP), par la norme IEEE 1588. PROFINET IRT ajoute à cette norme le Precision Transparent Clock Protocol (PTCP), qui conserve la notion d'horloge partagée entre appareils PROFINET IRT, mais calcule également les délais entre les commutateurs réseau et le câblage associé.

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
Capacités de mise en tampon

Le commutateur réseau doit être doté de circuits additionnels pour mettre en tampon l'intégralité du trafic Ethernet non IRT reçu pendant le segment de communication IRT désigné.

PROFINET IRT avec Hilscher et netX

Pour satisfaire les exigences des processus de communication de données critiques, il est nécessaire d'intervenir sur les couches 1 et 2 du modèle OSI, notamment sur la couche MAC. Les appareils du réseau peuvent ainsi fournir les segments IRT pendant lesquels la communication Ethernet est convertie au protocole TDMA (Time Division Multiple Access - multiplexage temporel). Le reste du temps, c'est-à-dire pendant la communication PROFINET normale, la transmission des données utilise le protocole CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection) standard.

Hilscher est l'un des rares fournisseurs à proposer PROFINET IRT pour les applications de contrôleur, grâce à ses contrôleurs de communication netX qui sont développés parallèlement au logiciel de protocole correspondant.

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netX donne accès à PROFINET IRT

La technologie netX de Hilscher permet de bénéficier des avantages de PROFINET IRT. En effet, les contrôleurs netX sont dotés d'une structure xC unique sur les couches OSI 1 et 2. En utilisant ces microcontrôleurs programmables et la pile de protocoles PROFINET de Hilscher, il est possible de définir le comportement d'un réseau PROFINET sur les deux premières couches OSI.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

Microcode flexible de Hilscher

L'une des particularités de netX est le codage de ce comportement : il n'est pas codé en dur, mais peut être ajusté de manière flexible à l'aide de microcode. Grâce au microcode fourni par Hilscher, les utilisateurs ont accès à l'interface entre la couche 2 et la couche 3.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

Vous disposez d'une solution PROFINET ? La première étape consiste alors à vous assurer que votre matériel est compatible IRT. La plupart du temps, ce n'est pas le cas : pour pouvoir transmettre des données conformément à la norme IRT, le matériel et le logiciel doivent satisfaire des exigences spécifiques, qui dépassent largement ce qui est demandé par la majorité des applications industrielles et ne sont généralement requises que sur les systèmes hautes performances (contrôle de mouvement ou robotique, par exemple). Malheureusement, parmi les appareils PROFINET, peu sont compatibles avec PROFINET IRT. Dans le pire des cas, un réseau PROFINET IRT devra être traité et développé de manière totalement séparée de vos installations existantes.

PROFINET et PROFINET IRT avec netX

La technologie netX facilite considérablement la transition. Les configurations PROFINET IRT nécessaires sont déjà intégrées dans notre pile PROFINET standard et chaque contrôleur de communication netX est fourni avec la structure xC requise. Inutile d'apporter le moindre changement à votre matériel ou à vos logiciels. Il vous suffit de configurer votre réseau.

Cela s'applique également à d'autres technologies de réseau comme EtherCAT : grâce à la capacité multiprotocole de netX, votre matériel prend également en charge EtherCAT.

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

Les différences de longueur des câbles provoquent une gigue. Cette propriété physique inévitable doit faire l'objet d'une attention spécifique lors de la mise en œuvre d'un réseau PROFINET IRT.

Par exemple, le délai de transmission d'un paquet de données envoyé sur un câble de 10 cm sera nettement plus court que celui d'un câble de 100 m. Ces différences de longueur et la gigue qui en résulte lors de la transmission des paquets de données doivent être prises en compte dans le réseau PROFINET IRT afin de s'assurer que le contrôleur peut gérer correctement les appareils sur le réseau.

Hilscher propose un outil particulièrement commode, le Topology Editor, qui permet aux utilisateurs de cartographier leur usine et de tenir compte des longueurs de câble connectant leurs appareils.

Quels appareils sont compatibles avec PROFINET IRT ?

Les appareils qui satisfont les exigences de PROFINET IRT font partie de la classe de conformité C (CC-C) dans le cadre du processus de certification de PROFINET. Cette classe couvre les communications synchronisées pouvant atteindre un temps de cycle de 32,5 microsecondes. CC-C est la classe de conformité la plus avancée et la plus stricte en lien avec PROFINET. Il en existe d'autres : CC-A, la classe de base, prend en charge la communication temps réel « normale », la transmission temps réel acyclique et l'Ethernet TCP-IP standard. CC-B prolonge CC-A en y ajoutant la prise en charge du protocole Simple Network Management (SNMP). Ces classes sont cumulatives : CC-C bénéficie de l'ensemble des caractéristiques de CC-A et CC-B, auxquelles elle adjoint la communication IRT.

La technologie netX de Hilscher est intégralement conforme à la classe de conformité C, étant donné que notre pile PROFINET inclut déjà toutes les fonctions logicielles nécessaires. Côté matériel, nos contrôleurs de communication netX sont également équipés de série pour les applications IRT.

Classe de conformité PROFINETABC
Échange de données temps réel avec temps de cycle jusqu'à 1 ms
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Fonctions d'alarme et de diagnostic
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Prise en charge de la topologie réseau
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Prise en charge de SNMP 
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Échange de données temps réel avec temps de cycle jusqu'à 31,25 µs  
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