Si vous êtes intégrateur de système ou ingénieur industriel, vous travaillez peut-être déjà avec le protocole Ethernet industriel. En effet, Ethernet industriel a récemment dépassé les protocoles de bus de terrain traditionnels pour devenir le choix principal de connexion dans les usines du monde entier.
En raison de ses performances et de son interopérabilité inhérentes, le protocole Ethernet s’est infiltré dans les usages industriels en tant que protocole de communication de choix pour les systèmes de contrôle et de surveillance en temps réel.
Pour répondre aux besoins de l’environnement industriel, le protocole Ethernet industriel utilise d’autres protocoles spéciaux encapsulés dans le protocole Ethernet de manière à garantir que les informations seront envoyées et reçues correctement pour effectuer une opération spécifique.
La taille du marché de l’Ethernet industriel a dépassé les 40 milliards USD en 2020 et devrait croître à plus de 15 % TCAC de 2021 à 2027
Source : Global Market Insights
Dans cet article, nous allons examiner le réseau Ethernet industriel en mettant l’accent sur ces différents protocoles de communication, son rivalité avec les protocoles bus de terrain et en quoi il diffère du protocole Ethernet commercial.
Qu’est ce que le prtocole Ethernet industriel
En termes simples, il s’agit simplement du protocole Ethernet standard avec des connecteurs robustes, des appareils pouvant résister aux conditions difficiles des environnements industriels, des configurations redondantes et quelques autres mises à jour qui rendent Ethernet plus déterministe pour une utilisation industrielle. Pour cette raison, l’Ethernet industriel envahit pratiquement toutes les zones d’une usine.
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Les principaux protocoles Ethernet industriel
La figure ci-dessous montre l’estimation de l’utilisation des protocoles Ethernet industriel entre 2021 et 2027, selon kbvresearch. Il est intéressant à ce niveau de noter que le protocole EtherNet/IP devrait être le plus populaire pendant cette période.
Les deux suivants les plus populaires sont EtherCAT , en grande partie grâce au soutien ardent de Siemens et Rockwell Automation, respectivement.
La plupart des protocoles Ethernet industriel ont d’abord été développés par des fournisseurs pour prendre en charge leurs propres produits. Ces derniers ont aidé à former des groupes d’assistance, puis ont transféré leur réseau propriétaire à ces groupes en tant que réseau « ouvert » accessible à tous. Ci-dessous, une capsule récapitulative des principaux protocoles Ethernet industriel.
EtherNet/IP
Développé à l’origine par Rockwell Automation, EtherNet/IP est désormais un réseau ouvert pris en charge par l’Open DeviceNet Vendors Association (ODVA). Il est construit sur des protocoles Ethernet TCP/IP standard et peut être utilisé à la fois pour l’automatisation industrielle et le contrôle de processus.
EtherCAT
Développé à l’origine par Beckhoff, EtherCAT est maintenant un réseau ouvert qui utilise la « lecture directe ». C’est-à-dire que les messages EtherCAT sont transmis avant le traitement dans chaque nœud de réseau, ce qui permet des temps de cycle très courts.
Profinet
Le protocole Profinet a été initialement développé pour fournir des communications à haute vitesse pour les systèmes Profibus. Profinet s’est depuis étendu aux communications directes avec les appareils et peut être utilisé à la fois pour l’automatisation et le contrôle de processus.
Ethernet PowerLink
Ethernet Powerlink est protocole de communication développé à l’origine par B&R Automation et est pris en charge par l’Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG). Il utilise une méthode de « time slicing » pour garantir le transfert des données critiques.
Comment fonctionne le protocole Ethernet industriel ?
Voici une explication très simplifiée du fonctionnement du protocole Ethernet industriel. La norme IEEE 802.3 a défini le modèle de référence OSI, qui décrit comment les informations se déplacent sur Ethernet. Le modèle OSI comporte sept couches, qui comprennent :
- Couche d’application, composée de programmes d’application qui utilisent le réseau.
- Couche de présentation, qui standardise les présentations de données aux applications.
- Couche session, qui gère les sessions entre les applications.
- Couche de transport, qui fournit une détection et une correction d’erreur de bout en bout.
- Couche réseau, qui gère les connexions à travers le réseau pour les couches supérieures.
- Couche de liaison de données, qui fournit une livraison de données fiable pour la couche physique.
- Couche physique, qui définit les caractéristiques physiques du support réseau.
Le matériel Ethernet au niveau physique est essentiellement le même pour toutes les versions d’Ethernet. Cela inclut les câbles, les connecteurs, les routeurs, les Switches Ethernet, etc.
Tout ordinateur, PLC, débitmètre, robot ou appareil doté d’une carte d’interface réseau (NIC) Ethernet peut se connecter à Ethernet. Dans presque tous les cas, la fonction NIC est intégrée dans les appareils de nos jours. Chaque carte réseau possède une adresse MAC (contrôle d’accès au support) unique.
Le protocole Ethernet industriel englobe les couches physique, liaison de données, réseau et transport en utilisant l’adressage IP (Internet Protocol) dans la couche réseau et le protocole TCP (Transmission Control Protocol) dans la couche transport. Ceci est également connu sous le nom de TCP/IP.
La carte réseau dispose d’une intelligence capable d’analyser les données entrantes. Si l’appareil voit qu’un message entrant est adressé à son adresse MAC, il traitera les données, sinon, il transmet le message au périphérique suivant via le câble Ethernet.
Une carte réseau sait si un autre périphérique existe plus loin le long du câble. S’il existe, il lui envoie des messages entrants. Si aucun périphérique n’existe, la carte réseau renvoie le message. Cela permet aux réseaux Ethernet d’être assemblés dans plusieurs topologies différentes : en réseau en étoile, réseau linéaire ou réseau en anneau.
Les différentes topologies d’un réseau Ethernet
Dans une topologie de réseau en étoile, un Switch Ethernet central se connecte à un ou plusieurs appareils via un câble bidirectionnel. Les avantages d’un réseau en étoile sont la vitesse de transmission, l’isolation des périphériques critiques et la capacité de diagnostiquer facilement les problèmes.
Les connexions en étoile sont souvent utilisées dans les applications qui demandent un temps de réponse rapide, telles que le contrôle de mouvement ou la sécurité des machines.
La typologie de réseau linéaire connecte plusieurs appareils le long d’un seul câble bidirectionnel. Cette typologie est simple, peu coûteux et minimise la quantité de câble nécessaire pour un réseau.
Cependant, si un périphérique tombe en panne, l’ensemble du réseau peut tomber en panne à moins qu’un système redondant ne soit établi.
La typologie de réseaux en anneau sont utilisés pour connecter plusieurs appareils et surmonter les limitations de distance du câble Ethernet (100 m maximum).
Étant donné qu’une interruption dans l’anneau, comme un chariot élévateur passant sur un câble, peut perturber les communications, un anneau peut être configuré pour envoyer des données dans les deux sens.
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Différences entre Ethernet commercial et Ethernet industriel
Les principales différences entre l’Ethernet commercial et l’Ethernet industriel se résument aux exigences de l’application et aux conditions de fonctionnement.
- Les exigences fondamentales d’un projet et le but de l’utilisation de l’Ethernet industriel
- Les facteurs environnementaux industriels.
Premièrement, Ethernet industriel est utilisé à des fins critiques d’assurer la disponibilité de la production, de maintenir la qualité et de fournir une fonctionnalité de contrôle critique d’une usine moderne connectée au réseau.
Deuxièmement, les environnements industriels peuvent engendrer de nombreuses situations environnementales qui peuvent avoir un impact négatif sur les performances d’un réseau Ethernet.
Nous pouvons constater donc que les effets des facteurs environnementaux physiques et électriques sont l’une des différences les plus critiques entre les réseaux Ethernet commerciaux et industriels.
Ethernet industriel Vs Fieldbus (bus de terrain)
La majorité des composants industriels ont historiquement été connectés via des protocoles Fieldbus, tels que Profibus, Control Area Network (CAN), Modbus et CC-Link. Profibus est la technologie bus de terrain la plus performante au monde et est largement déployée dans les systèmes d’automatisation industrielle.
Ces dernières années, l’Ethernet industriel a gagné du terrain, offrant une vitesse plus élevée, une distance de connexion accrue et la possibilité de connecter plus de nœuds. Les protocoles Ethernet les plus courants sont Profinet, Profinet IRT, EtherCAT, EtherNet/IP, Sercos III et CC-Link.
Selon une étude lancée en 2020 par HMS Networks sur le marché des réseaux industriels, le réseau Ethernet industriel augmente sa part de marché à 64 %, tandis que les réseaux Fieldbus (Bus de terrain) chutent à 30 %.
Les principaux réseaux Ethernet EtherNet/IP et Profinet se partagent la première place à 17 % chacun. Les technologies sans fil quant à eux se stabilisent à 6% de part de marché.
Les protocole Ethernet industriel prennent le pas sur les protocoles Fieldbus
Selon l’étude de HMS Networks, les protocoles Ethernet industriel continuent de prendre des parts de marché aux protocoles bus de terrain. L’Ethernet industriel représente désormais 64 % du marché mondial.
EtherNet/IP et Profinet se partagent la première place avec 17 % de part de marché chacun. EtherCAT continue de bien performer à l’échelle mondiale à 7 %, et Modbus-TCP à 5 % dépassant juste Ethernet Powerlink à 4 %.
Les protocoles Fieldbus en baisse
Restant sur la même étude, nous remarquons une baisse de la part du marché des protocoles Fieldbus à 30 %. Profibus est toujours numéro 1 avec 8 %, représentant pour la première fois moins de 10 % du marché total des réseaux industriels. En deuxième position, on trouve les protocoles Modbus-RTU à 5%, suivi de CC-Link à 4%.
« La transition vers l’Ethernet industriel se poursuit et est motivée par le besoin de hautes performances et le besoin d’intégration entre les installations d’usine et les systèmes informatiques/applications IIoT »
Anders Hansson, directeur marketing chez HMS.
Ethernet industriel : Enjeux & Tendances
Une étude récente élaborée par Aberdeen Strategy & Research note que les fabricants ont besoin d’une visibilité en temps réel sur les opérations de leurs usines pour optimiser la production, la maintenance et la sécurité.
Aberdeen Strategy & Research affirme que le réseau Ethernet industriel se développe à un rythme remarquable qui lui a permis de prendre le relais de la fabrication. Cela peut se faire au détriment des réseaux Fieldbus. Par exemple, le protocole EtherNet/IP est désormais disponible dans les débitmètres, où il offre les mêmes fonctions que les protocoles bus de terrain : diagnostics de l’appareil, fonctionnement dans des environnements dangereux, etc.
Cependant, EtherNet/IP ne nécessite pas les dépenses et les frais généraux des réseaux bus de terrain, et ses données sont facilement disponibles pour tout appareil doté d’une interface réseau Ethernet, tel qu’un PLC ou un PC.
Au cours des 30 dernières années, Ethernet a surmonté de nombreux obstacles, éliminé les réseaux commerciaux et industriels propriétaires, et entre maintenant dans le monde industriel à sa vitesse de 10 Go/sec.
Bien que certains types de réseaux spécialisés continueront d’être nécessaires, tels que les réseaux de bus de terrain ou les réseaux dédiés au niveau des appareils, la présence des réseaux Ethernet sur le marché industriel est devenue prédominante.
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