Success Story : intégration de PROFINET dans une production industrielle à petite échelle
Le défi
Un fabricant de systèmes de soudage par ultrasons était confronté à un défi clair : le contrôleur d’une nouvelle version de son dispositif devait prendre en charge PROFINET. Dans le modèle précédent, le paramétrage s’effectuait via une interface série. Un microcontrôleur STM32 pilotait la fréquence, l’amplitude et d’autres paramètres.
Pour la nouvelle génération de produits, le client final exigeait une communication PROFINET compatible temps réel. La nouvelle interface devait également s’intégrer de manière transparente dans l’architecture existante. Parallèlement, il était essentiel de limiter au maximum les efforts nécessaires, en particulier pour les modifications matérielles et les processus de certification.
Les exigences
Les contraintes du projet imposaient des priorités claires au constructeur de machines : le temps, les ressources d’ingénierie et les volumes de production étaient limités.
L’interface PROFINET devait s’intégrer à l’architecture système existante. L’équipe du constructeur de machines ne souhaitait pas entreprendre une refonte matérielle majeure. La certification devait également rester aussi légère que possible ; le périmètre a donc été volontairement limité à l’essentiel.
Exigences spécifiques du projet :
Calendrier de projet serré malgré des ressources internes limitées
Modifications matérielles minimales de la conception existante
Production en petites séries, sans développement séparé de carte électronique (PCB) en parallèle
Réduction des efforts de certification grâce à la définition anticipée de la classe de conformité A et de la classe de charge réseau 1
Aucune fonctionnalité supplémentaire si elle n’apporte aucun bénéfice à l’application (par ex. alarmes, diagnostics ou paramétrage complexe)
Configuration du projet
Le projet a été piloté par Brückmann Elektronik en tant que développeur système pour le compte du constructeur de machines, client final. Comme Brückmann disposait d’une expérience limitée de PROFINET, l’entreprise a fait appel à Burger Engineering, spécialiste de l’ingénierie des systèmes, pour l’accompagner. L’équipe de Burger Engineering est depuis plusieurs années un « netX Design-In Partner » certifié par Hilscher et dispose ainsi d’une solide expertise pratique dans l’intégration de solutions de communication industrielle basées sur les produits Hilscher.
L’un des éléments clés consistait à sélectionner le module de communication approprié. Le choix s’est rapidement porté sur le netRAPID 90 de Hilscher.
Le netRAPID 90 est un module de communication compact intégrant une puce netX 90. Il est fourni à Brückmann et à ses clients avec la pile de communication PROFINET préchargée. D’autres protocoles de communication, tels qu’EtherCAT et EtherNet/IP, ainsi que des bus de terrain comme PROFIBUS ou DeviceNet, sont également disponibles. Le module peut être intégré à des conceptions existantes sans nécessiter de développements matériels importants.
Points forts du netRAPID 90 de Hilscher :
- Conception netX 90 prête à être soudée
- Interface SPI avec l'hôte
- Conception multiprotocole avec broches pour Ethernet industriel et bus de terrain
- Processeur Cortex-M4 intégré pour tâches d'application
Les équipes de Brückmann et de Burger Engineering ont également étudié de nombreuses alternatives, notamment l’intégration directe du netX 90 dans le dispositif. Au final, elles ont rapidement écarté le développement d’une carte électronique dédiée intégrant le processeur multiprotocole de Hilscher : les volumes de production prévus étaient trop faibles et les efforts nécessaires auraient été disproportionnés.
Grâce à son format compact, à son unité complète de communication et d’application ainsi qu’aux outils de développement et de certification disponibles, le netRAPID 90 s’est révélé être la solution la plus efficace.
Hilscher
Fourniture du netRAPID 90, y compris la pile PROFINET, l’assistance concernant les questions liées à la pile, la gestion des licences et les échanges techniques pendant la mise en œuvre
Burger Engineering
Développement de l’application, intégration de la communication via le netRAPID 90 et accompagnement tout au long du processus de certification ultérieur
Brückmann
Responsabilité globale de la conception de l’alimentation électrique, de la coordination du projet et de la concertation avec le constructeur de machines
Les phases du projet en un coup d'œil
Phase 1 : mise en œuvre — de février à juin 2023
- Définition du cadre technique
- Sélection du netRAPID 90 comme solution la plus adaptée
- Mise en œuvre de l’application et premiers développements à l’aide de cartes d’évaluation
Phase 2 : optimisation et certification
- Préparation de la solution en vue de la certification officielle PROFINET
- Certification
- Réduction de la solution aux fonctionnalités essentielles
Mise en œuvre
Séparation de l’application et de la communication
Le cœur de la solution technique reposait sur une séparation claire entre la logique applicative et la logique de communication. Le contrôleur STM32 existant assurait déjà toutes les fonctions spécifiques au dispositif, notamment la régulation de fréquence, le contrôle de l’amplitude et la gestion de l’alimentation. Pour cette raison, il n’était pas prévu de lui confier des tâches PROFINET supplémentaires.
Dans un premier temps, l’équipe prévoyait d’utiliser le netRAPID 90 en mode Companion. Dans cette configuration, l’application reste exécutée sur le STM32, tandis que le netRAPID 90 assure la connexion au réseau PROFINET.
Cependant, le STM32 fonctionnant déjà à la limite de ses capacités en raison de séquences critiques en termes de temps de réponse, l’équipe a finalement opté pour le mode Stand-alone (autonome). Cela a permis au second cœur du netX 90 d’échanger des données applicatives via PROFINET entre fournisseur et consommateur. La communication PROFINET a ainsi pu être mise en œuvre sans pratiquement aucun impact supplémentaire sur les performances du STM32.
Configuration simple de la structure des données
Pour la structure des données, l’équipe a délibérément opté pour une configuration simple. Le netRAPID 90 n’avait aucune connaissance du contenu réel des données. À la place, il échangeait cycliquement 64 octets de données fournisseur et 64 octets de données consommateur sous forme de tableaux d’octets bruts entre le réseau PROFINET et le STM32. L’interprétation du contenu restait donc exclusivement du ressort de l’API de niveau supérieur et du STM32. Sur le module netRAPID, les données étaient simplement répliquées à des intervalles définis.
Modifications possibles jusqu’à la fin du projet
Cette mise en miroir a considérablement réduit les efforts de développement : des modifications de la structure des données – telles que l’ajout de paramètres, le passage de valeurs sur 8 bits à des valeurs sur 16 bits ou l’ajout de nouvelles commandes de contrôle – pouvaient encore être effectuées en fin de projet sans qu’il soit nécessaire de modifier à nouveau la couche de communication. C’est précisément ce découplage qui a conféré au projet son haut niveau de flexibilité et sa rapidité de mise en œuvre.
Pour les développeurs, cela signifiait l’absence de diagnostics complexes, d’interprétations élaborées ou de paramétrages inutiles : uniquement un échange de données de processus robuste et flexible. En outre, le temps de développement a été réduit grâce à l’utilisation du netRAPID 90 de Hilscher sous forme de module embarqué, l’effort requis étant nettement inférieur à celui d’une approche basée sur une puce intégrée.
Connexion via une interface SPI
L’équipe a mis en œuvre la connexion au STM32 via une interface SPI. Le netRAPID 90 récupérait directement les données pertinentes pour le processus depuis le microcontrôleur STM32 et les retransmettait également au STM32 dans le sens inverse. Cet échange cyclique de données de processus a considérablement amélioré la stabilité temporelle. Il a également facilité les ajustements ultérieurs des données transmises.
Depuis longtemps, nous proposons pour les projets de développement de produits une offre de services complète clé en main, une formule que nos clients demandent de plus en plus souvent ces derniers temps. Cette évolution s’explique par plusieurs facteurs, notamment le manque de ressources internes. Le temps où l’on pouvait consacrer plusieurs mois au développement d’un produit est révolu. En utilisant des modules embarqués entièrement testés avec un firmware préinstallé, nous pouvons réduire considérablement le cycle de développement.
Jörg Klenke
Membre de l’équipe de direction
Burger Engineering
Présentation réussie auprès des professionnels du secteur
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Équipée d'un NRP H90-RE\F8D8
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