Ethernet est une technique de transmission de données pour réseaux câblés et LE standard pour la transmission de paquets de données dans les réseaux domestiques ou de bureau (LAN, Local Area Network).
À l'intérieur d'un tel réseau, tous les appareils électroniques connectés, tels que les ordinateurs, les imprimantes et les serveurs, peuvent communiquer entre eux via des câbles LAN.
Les données sont envoyées et reçues via Ethernet. À l'inverse du Wi-Fi, l'Ethernet est toujours câblé. Dans les environnements industriels connectés, l'Ethernet câblé offre, par rapport au réseau alternatif via Wi-Fi (Wireless Local Area Network), un débit de transmission des données nettement accru ainsi qu'une stabilité de transmission fiable.
Le groupe de travail américain IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a défini et normalisé le protocole réseau Ethernet ainsi que la structure de ses paquets avec la spécification IEEE 802.3.
La pertinence d'Ethernet
Les débuts du standard Ethernet remontent aux années 70. À l'époque, cependant, seul un taux de transmission très faible était possible. Au cours des dernières décennies, la technologie de transmission de données n'a cessé de se développer et permet aujourd'hui d'atteindre des vitesses allant jusqu'à 10 000 Mbit/s ou 10 Gbit/s. C'est ce qu'on appelle l'Ethernet Gigabit.
Lorsque l'industrie 4.0 et l'Internet des objets ont vu le jour, le moment était venu de développer les possibilités de transmission de données. Ce nouvel environnement économique exigeait que les systèmes informatiques des réseaux de bâtiments et de bureaux fusionnent avec les réseaux de machines industrielles. Cela a changé le type de communication et donc les exigences en matière de transmission de données.
Il s'est rapidement avéré que les propriétés de l'Ethernet classique du domaine du câblage des bâtiments n'étaient plus suffisantes pour les environnements industriels.
Que signifie réellement « Ethernet » ?
ether = éther
Mot grec ancien dérivé de la théorie de l'éther, qui signifie « ciel ». Dans les siècles précédents, on pensait que l'éther était un milieu à l'aide duquel les ondes électromagnétiques se propagaient dans l'espace.
net = réseau
Définitions : Ethernet vs. Ethernet industriel
L'Ethernet industriel est le successeur de l'Ethernet LAN classique du bureau et est principalement utilisé pour la communication de données dans la production industrielle. Pour de bonnes raisons : il offre une infrastructure réseau sans faille et en temps réel. Les domaines d'application sont variés et vont du niveau de terrain en passant par le niveau de commande jusqu'au niveau de gestion (Manufacturing Execution System [MES] pour la coordination des commandes et Enterprise Resource Planning [ERP] pour la planification des matériaux).
La technologie Ethernet industriel couvre un très grand espace d'adressage. L'adressage IPV6 permet de réaliser des réseaux à nombre presque illimité de participants. De grandes quantités de données peuvent être transmises simultanément par le cuivre à des vitesses élevées allant jusqu'à 40 Gbit/s. Cela vaut également pour la communication de données sur de grandes distances : par rapport aux conducteurs en cuivre, les câbles en fibre optique permettent de couvrir des distances allant jusqu'à 80 km. Les réseaux peuvent être facilement étendus et segmentés via des commutateurs et des routeurs.
Avantages de l'Ethernet industriel par rapport à la technologie de bus de terrain
Les bus de terrain sont des systèmes de bus utilisés au niveau du terrain pour raccorder les capteurs et actionneurs pour l'échange d'informations avec un ordinateur de commande. Les bus de terrain ont leur origine dans la technique de production. Ils y sont toujours utilisés en priorité.
En matière d'automatisation, les processus de communication se déroulent généralement à plusieurs niveaux. L'Ethernet industriel est utilisé dans l'automatisation industrielle lorsque les fonctionnalités des bus de terrain ne sont plus suffisantes. En effet, les avantages de l'Ethernet industriel sont les suivants :
- Possibilité de mise en réseau sur plusieurs niveaux de la pyramide d'automatisation
- Transmission de données nettement plus rapide
- Meilleures propriétés en temps réel
- Performances techniques accrues
- Transmission de grandes quantités de données
- Intégration des protocoles de sécurité
Connexion possible à des réseaux sans fil
Dans le LAN sans fil, les données sont transmises sans fil au sein d'un réseau à l'aide d'une technologie sans fil. Dans le domaine industriel également, les solutions radio intelligentes gagnent de plus en plus d'importance. Le résultat est un champ radio complexe et dynamique. La transmission de données entre réseaux sans câble et câblés est possible ; le Wi-Fi et l'Ethernet peuvent donc communiquer entre eux.
Avantages de la technologie sans fil
- Raccordement des participants mobiles au réseau avec des participants statiques
- Raccordement à des participants rotatifs tels que des carousels ou des grues
- Construction de ponts radio au-delà des limites des bâtiments ou des eaux
- Communication avec des participants difficiles d'accès
Inconvénients de la technologie sans fil
- Les ondes radio sont inclinées sur les obstacles
- Les ondes radio sont réfléchies sur les obstacles
- Les ondes radio peuvent être affaiblies lors du passage
- Les ondes radio peuvent être interceptées et utilisées de manière non autorisée
Quand les câbles sont indispensables
L'utilisation d'une solution câblée présente toujours les plus grands avantages dans la production industrielle. Le câble sert de support exclusif, constant, avec des propriétés de transmission fixes, également pour identifier clairement les participants du réseau. Les utilisateurs d'Ethernet comme technique de transmission de données peuvent utiliser des câbles en cuivre ou des câbles à fibre optique pour la distribution de paquets de données.
Communication réseau simple via les normes de protocole Ethernet
Un protocole ou protocole réseau est un jeu de règles standardisé pour l'échange de données, c'est-à-dire une sorte de langage réseau. Celui-ci est utilisé pour la communication entre les ordinateurs et les appareils.
Les protocoles standardisés sont également appelés normes de protocole.
Renseignez-vous ci-dessous sur les principaux standards de protocole pour la technologie Ethernet :
PROFINET est le principal standard ouvert d'Ethernet industriel en Europe dans tous les domaines de la technique d'automatisation industrielle. Ce type de système de communication permet l'échange de données avec Ethernet industriel entre les appareils de commande et les appareils de terrain en temps réel. PROFINET est le successeur de PROFIBUS, un standard de protocole de bus de terrain, qui est normalisé par l'organisation d'utilisateurs PROFIBUS & PROFINET International (PI). LAPP participe activement au développement de PROFINET.
La communication en temps réel entre les appareils de commande et les appareils de terrain peut être réalisée avec PROFINET via RT (Real Time). Pour cela, aucune exigence supplémentaire n'est nécessaire pour les composants réseau. Les temps de cycle de l'échange de données sans synchronisation de temps sont d'environ 10 millisecondes. La variante RT est utilisée par exemple pour les systèmes E/S à distance.
Pour les applications spéciales qui doivent fonctionner de manière synchronisée, par ex. la synchronisation des servomoteurs, une communication isochrone avec PROFINET via IRT (Isochronous Real Time) entre les appareils de commande et les appareils de terrain est indispensable. Dans le réseau IRT, des exigences matérielles supplémentaires sont nécessaires et les commutateurs Ethernet standard ne sont plus autorisés. Les temps de cycle de l'échange de données sont inférieurs à 1 milliseconde.
EtherNET/IP est un système de bus industriel pour l'application dans les systèmes de commande et d'automatisation, qui est de plus en plus utilisé dans l'espace américain.
EtherNET/IP fonctionne avec le matériel Ethernet standard, utilise les protocoles de transport TCP/IP et UDP ainsi que le protocole d'application CIP (Common Industrial Protocol), qui constitue la couche d'application dans le réseau. L'un des principaux avantages de la norme industrielle ouverte est l'intégration facile des appareils de terrain existants avec une interface RS en série. Les services de communication fournissent à l'application d'automatisation des données cycliques et chronologiques issues du niveau de terrain.
Ce réseau ne permettant toutefois « que » des temps de cycle de 10 ms environ, le standard de communication ne convient pas tout simplement aux exigences de temps réel sévères en service isochrone (< 1 ms). Pour les inserts synchronisés, le protocole a donc été élargi pour inclure MotionSync et CIPSync.
EtherNET/IP est mis à jour et développé par l'Open DeviceNet Vendor Association (ODVA). LAPP est membre de l'ODVA et participe activement au développement du système EtherNET/IP.
CC-Link IE est le standard successeur le plus important en Asie, basé sur Ethernet, du système de bus de terrain CC-Link. Dans les applications industrielles où CC-Link n'est plus suffisant en tant que système de bus de terrain, le CC-Link Ethernet industriel plus puissant est utilisé pour gérer des volumes de données nettement plus importants. Le standard pour la transmission de données à haut débit avec des performances en Gbit fournit des protocoles en temps réel et relie actuellement jusqu'à 120 appareils dans un réseau. CC-Link IE existe, entre autres, dans les versions CC-Link IE Field (échange de données au niveau du terrain) et CC-Link IE Control (échange de données au niveau de commande), CC-Link IE Safety (raccordement des commandes de sécurité pour une communication sûre) et CC-Link IE Field Motion (pour la synchronisation des servomoteurs).
LAPP est membre de l'organisation d'utilisateurs CLPA (CC-Link Partner Association) et participe activement au développement de la norme. Bon nombre des composants proposés ci-dessous sont certifiés selon les spécifications CLPA.
EtherCAT est un protocole largement répandu dans l'Ethernet industriel et garantit un Ethernet haute vitesse. La désignation signifie Ethernet for Control Automation Technology et est considérée comme un Ethernet particulièrement rapide en termes de taux de débit et de capacité en temps réel.
Pour la communication, EtherCAT utilise des cadres Ethernet standard, des paquets de données pouvant être traités. Ces paquets de données se composent d'un en-tête Ethernet, d'un en-tête EtherCAT, de 1 à 15 datagrammes EtherCAT et d'un mécanisme de contrôle pour détecter les erreurs de bit.
La commande est assurée par un système de communication avec un maître et un ou plusieurs esclaves. Le maître envoie les conditions OBJECTIF aux esclaves, qui renvoient la condition ACTUELLE. Il est ainsi possible de transmettre des instructions de commande et de répondre aux états actuels d'une machine.
Le maître crée des diagrammes EtherCAT à partir des données obtenues et les envoie à son tour aux slaves connectés. Comme mentionné précédemment, la particularité d'EtherCAT est sa vitesse. Celle-ci est atteinte de la manière suivante : lorsque les paquets de données traversent les esclaves, chaque esclave prend uniquement les conditions OBJECTIF le concernant dans le diagramme et insère directement sa condition ACTUELLE. Toutes les données qui ne sont pas déterminées pour l'esclave respectif ne sont pas traitées et sont immédiatement transmises. Même avec un grand nombre d'esclaves connectés, le temps de communication est très rapide, car le retard de passage par esclave n'est que de quelques nanosecondes.
Norme TSN pour un contrôle efficace des données critiques en temps réel
TSN, abréviation de Time-Sensitive Networking, décrit une possibilité de contrôler et de prioriser les flux de données dans les réseaux Ethernet. Le TSN n'est toutefois pas un protocole de communication autonome, mais un ensemble de normes qui définissent les fonctions des protocoles. Ces définitions de fonction peuvent ensuite être utilisées par différents protocoles, comme par exemple PROFINET.
L'objectif du développement des normes TSN est la fusion intelligente de la technologie de l'information et de la technique d'exploitation industrielle. Une transmission de données pour des applications critiques en temps réel est nécessaire à cet effet, comme par exemple la réception de signaux d'un composant important pour la sécurité.
En définissant et en élargissant les standards Ethernet existants, TSN réalise une convergence entre l'informatique et les machines et appareils connectés. Grâce à une commande efficace des données critiques en temps réel et des applications à forte intensité de données, le réseau Ethernet peut être réalisé via un seul câble Ethernet commun.