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PROFINET IO

PROFINET IO

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Sommaire

En deux mots
     Organisation
     Normes et standards
     Marché
     Historique
     Domaines d'utilisation
PROFINET et le modèle OSI
Caractéristiques de la couche physique
Câble et connectique PROFINET
     Câble PROFINET
     Connectique PROFINET
Topologies de PROFINET
     Topologie en ligne
     Redondance
     Principe de fonctionnement
Constituants d’un réseau PROFINET
Intégration des équipements PROFINET
Configuration PROFINET
Echange des données process
Identification/ adressage des stations
Reconnaissance de topologie
Remplacement d’un IO Device
     Diagnostic
     Accès aux informations de diagnostic
     Catégories d’alarme
     Diagnostic réseau
Priorisation des trames PROFINET
Wireless
Profils PROFINET
     PROFIsafe via PROFINET
     PROFINET IRT
Certification PROFINET
Intégration de bus de terrain dans PROFINET IO
Passerelle
     Exemple d’architecture
Proxy
     Exemple d’architecture
Formations
Diagnostic et maintenance
Faut-il basculer de PROFIBUS à PROFINET ?

 

En 2 mots

PROFINET IO est l’évolution du réseau PROFIBUS DP vers une base Ethernet. On y retrouve certains des concepts de base qui ont permis à PROFIBUS de devenir le leader du marché (Simplicité de mise en œuvre, principe de diagnostic, fichier descriptifs…) tout en améliorant les performances et en intégrant les services propres aux technologies IT.

 

Organisation

L’association PROFIBUS International (P.I.) qui assure la promotion et le support de PROFIBUS est également responsable de la technologie PROFINET : profibus.com

En France l’association France PROFIBUS regroupe les offreurs et institutions actifs dans la promotion des 2 technologies. : profibus.fr

L’association PI a déployé de nombreux centres de compétence et de formation à travers le monde, La France dispose de deux centres de compétence PROFINET :

 

et d’un centre de formation PROFINET habilité à délivrer des formations certifiées :

 

Normes et standards

La standardisation internationale comporte plus de 20 réseaux de communication industriels (base Ethernet et série) dont certains sont d’ailleurs obsolètes maintenant. Les spécifications PROFINET IO figurent dans les documents IEC 61158 type 10 et IEC 61784 part 2, 3-3 et 5-3.

Par ailleurs PROFINET IO exploite des fonctions et services IT ayant déjà fait l’objet de standardisation pour des applications informatiques classiques (Web, FTP, RSTP, SNMP, 802.1Q …).

 

Marché

PROFINET IO est aujourd’hui une réelle alternative à PROFIBUS DP mais aussi aux autres bus de terrain traditionnels.

Du point de vue de la performance, la supériorité d’un réseau Ethernet tel que PROFINET IO est évidente. Cependant beaucoup d’installations n’ont pas un besoin immédiat d’amélioration en termes de vitesse, taille de données ou nombre de stations.

Si PROFINET séduit de plus en plus d’utilisateurs c’est que l’offre en matériel est de plus en plus large et que le positionnement prix d’une architecture Ethernet est désormais tout à fait compétitif.

Porté par ses atouts technologiques mais également par le support de grands acteurs de l’automatisme, PROFINET IO occupe la place de leader au sein des réseaux Ethernet industriels avec 30% de part de marché.

 

Graphique Croissance nombre d’appareil PROFINET 2004 a 2015
Evolution du nombre de station PROFINET

 

Historique

Ethernet longtemps réservé aux applications bureautiques est apparu dans les réseaux d’automatisme fin des années 2000. D’abord utilisé aux niveaux Supervision et Automate, il s’est rapidement imposé comme l’alternative logique pour la prochaine génération de réseau d’E/S.

PROFIBUS DP introduit sur le marché au début des années 90 est devenu le leader incontestable des bus de terrain et PROFINET IO constitue donc son évolution vers Ethernet. Pour autant il ne s’agit pas d’une simple encapsulation du protocole PROFIBUS dans des trames Ethernet.

Les spécifications de PROFINET ont été élaborées au sein des différents groupes de travail de l’association PI. Au final ce sont 500 ingénieurs issus de nombreuses sociétés qui ont collaborés au développement de PROFINET en se basant sur l’expérience acquise avec PROFIBUS et en intégrant les nouvelles exigences en termes de performance et de fonctionnalité.

Le standard PROFINET CBA dont le développement est antérieur à PROFINET IO a vocation d’interconnecter des modules fonctionnels et non de simples équipements, il ne sera pas abordé dans cet article. Le terme de PROFINET désignera implicitement PROFINET IO.

 

Domaines d'utilisation

Les domaines d’applications de PROFINET sont les mêmes que PROFIBUS. Cependant grâce à ses caractéristiques il permet d’atteindre de meilleures performances dans les applications exigeantes notamment le contrôle et la synchronisation d’axes, la robotique …

L’ambition de PROFINET est de proposer une seule technologie permettant de couvrir les besoins de l’automatisation générale, les applications temps réel et le temps réel « dur ». Un même réseau PROFINET permet donc d’assurer l’ensemble de ces échanges.

La transmission de données asynchrone (http, ftp,) reste possible avec tous les équipements y compris ceux qui relèvent de l’IRT*. 

Schema du positionnement de PROFINET dans l’industrie
Positionnement de PROFINET

 

*IRT : Isochronous Real Time.

 

PROFINET est présent sur l’ensemble des secteurs industriels : Automobile, convoyage, robotique, conditionnement et emballage, motion control et de plus en plus dans les procédés continus et batch. PROFINET est également embarqué dans des applications ferroviaires ou marines.

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PROFINET et le modèle OSI

Le protocole PROFINET respecte l’organisation en 7 couches du modèle OSI. Les couches 5 et 6 étant inutiles ne sont donc pas utilisées par les équipements PROFINET. Les couches effectivement utilisées dépendent de la nature du trafic.

Une station PROFINET, est susceptible de gérer 3 types de trafic :

  1. Le trafic IT classique sans rapport avec PROFINET, par ex. accéder à la page web de l’équipement.
  2. Le trafic PROFINET non temps réel, par ex. configurer une station ou faire un diagnostic.
  3. Le trafic PROFINET temps réel qui concerne les données d’entrées/sorties du procédé.

Pour les 2 premiers on utilisera Ethernet, la couche Réseau IP et la couche Transport TCP/UDP. Pour les échanges de données process, on passe directement d’Ethernet (couches 1 & 2) à la couche applicative PROFINET. Les performances temporelles ne sont donc pas dégradées par le traitement d’informations inutiles dans le cadre d’une communication industrielle locale.

 

Schema Structure en couches du protocole PROFINET
PROFINET dans le modèle OSI

 

Caractéristiques de la couche physique

Le réseau PROFINET étant basé sur Ethernet il respecte les standards correspondants. Les stations supportent des connexions cuivre, fibre optique ou WiFi. 

  • La version cuivre, la plus répandue, est basée sur la norme 802.3u (Fast Ethernet) qui permet une communication 100 Mb/s en full duplex. L’essentiel des équipements dispose d’une connexion de ce type.
  • La fibre optique est essentiellement utilisée dans le cadre de l’infrastructure et sert à interconnecter les switches entre eux.
  • Le WiFi est utilisé ponctuellement pour des applications mobiles et/ou difficiles à raccorder physiquement.

 

Câble et connectique PROFINET

PROFINET est basé sur la technologie ETHERNET, par conséquent il peut fonctionner avec les câbles et connecteurs ETHERNET classiques. Cependant les contraintes de l’environnement industriel étant plus sévères, PROFINET a défini du câble spécifique et des connecteurs durcis.

 

Câble PROFINET

La gaine est de couleur verte. Un câble Ethernet classique est constitué de 4 paires cependant à 100 Mb/s, la vitesse de PROFINET, seules 2 paires sont utilisées. Le câble PROFINET ne comprend donc que 4 conducteurs. Deux blindages, feuillard et tresse, protègent les conducteurs. La catégorie du câble est 5e. La constitution du câble permet l’utilisation de la technique Fast Connect pour la confection.


Photo cable ethernet industriel PROFINET 2 paires
Structure du câble PROFINET
 

Sur la base de ces spécifications, il existe différentes variantes de câble PROFINET correspondant à différentes exigences : pose fixe ou mobile, tenue aux agents chimiques, retardateur de flamme …

 

Connectique PROFINET

Les connecteurs PROFINET sont étudiés pour être robustes et faciles à confectionner grâce au concept de déplacement d’isolant du système Fast Connect (déjà utilisé sur PROFIBUS).

 

Il existe 3 familles de connecteurs :

 

  • RJ45 en IP20 ou IP65
  • M12 en IP 66/67
  • RJ45 Hybride pour les équipements télé alimentés
Connecteurs profinet RJ45 en IP20 ou IP65, M12 en IP 66/67 et RJ45 Hybride
Exemples de connecteurs PROFINET

 

Outre la solution 100 Mb/s qui est la plus largement utilisée, il existe également des solutions câble et connecteurs permettant des interconnexions 1Gb/s ou des liaisons fibre optique.

 

Topologies de PROFINET

PROFINET peut être déployé avec les différentes topologies classiques d’Ethernet (Etoile, arborescente, maillé) ou en ligne comme dans les applications bus de terrain conventionnels. Si les premières sont bien connues et ne diffèrent guère des architectures classiques, il est intéressant de se pencher sur la topologie en ligne.

 

Topologie en ligne

Ce mode de câblage s’apparente extérieurement à celui d’un bus de terrain classique pour lequel on constitue une « guirlande » en chainant les stations les unes après les autres.

Dans les faits il s’agit de quelque chose de très différent. Chaque station intègre un switch, il n’y a pas de continuité électrique du médium comme c’est le cas avec un bus de terrain. Entre chaque switch, donc entre chaque équipement, il est possible de poser 100 m de câble. Un réseau de 4 stations par exemple peut donc être déployé sur 300 m, 5 stations : 400 m, 11 stations : 1 km.

Le principal intérêt de cette topologie réside dans la réduction du câblage et des éléments d’infrastructure et par conséquent des coûts. Son point faible concerne la disponibilité. Si l’on déconnecte ou si l’on coupe l’alimentation d’une station tous les équipements connectés derrière seront perdus. Des solutions de redondance permettent de supprimer ou réduire l’impact d’un tel évènement.

 


Schema Topologie PROFINET en guirlande
Architecture PROFINET en Daisy chain

 

Redondance

Cette rubrique ne traite que de la redondance medium, la redondance système n’est pas abordée. Il existe deux catégories de redondance :

  1. La première détecte le défaut et cicatrise le réseau plus ou moins rapidement.
  2. La deuxième catégorie qu’on appelle Bumpless redundancy envoie les trames en double par 2 chemins différents, il n’y a donc aucune perte d’information.

 

PROFINET utilise le protocole MRP (Media Redundancy Protocol) qui peut convenir pour toutes les applications peu ou pas exigeantes. Il est normalisé IEC Le principe est basé sur un anneau dont un des switch fonctionne en Media Redundancy Manager (MRM) et les autres en Media Redundancy Client (MRC). Ces switches peuvent être des éléments d’infrastructure ou intégré sur un équipement.

  

Principe de fonctionnement

En fonctionnement normal, le MRM bloque un des ports de l’anneau (2).Toutes les trames de l’API sont transmises sur le port (1) Lorsqu’il détecte une rupture il retransmet les trames sur les 2 ports en fonction de l’endroit du défaut. Les trames pour A, B et C passent par (1), les trames pour D, E et F passent désormais par (2). Cette cicatrisation s’opère en moins de 200 ms.

 

Schema Anneau redondant en mode normal
Anneau MRP Fonctionnement normal
 
 
Schema Anneau redondant en mode rupture
Anneau MRP en cas de défaut

MRP est plus rapide que les protocoles de redondance bureautiques (STP, RSTP) mais peut s’avérer trop long pour des applications critiques. Dans ce cas, il faut envisager l’utilisation d’un protocole de type Bumpless*. PROFINET a spécifié MRPD qui est une évolution de MRP.

La structure est toujours basée sur un anneau mais les trames de données sont simultanément envoyées sur les 2 ports de l’anneau, l’équipement destinataire ne prendra en compte qu’un des deux messages, si une voie est interrompue, 1 seul message arrivera mais la continuité de service sera assurée.

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Constituants d’un réseau PROFINET

Schema IO Controller, IO Device et IO Supervisor
Les 3 différentes stations PROFINET

Il existe 3 type de stations :

  • IO Controller : C’est la station qui initie et gère les échanges, il s’agit typiquement d’un automate ou d’un PC.
  • IO Device : Un équipement terrain qui est assigné à un IO Controller typiquement des E/S, variateurs, passerelles, IHM …
  • IO Supervisor : Une station d’ingénierie permettant la configuration et le diagnostic d’un réseau PROFINET IO, typiquement un atelier logiciel sur PC.

 

Certains switches peuvent également être IO Device. Cette fonctionnalité est utile pour remonter des informations sur la topologie et la santé du réseau vers l’IO Controller.

 

Intégration des équipements PROFINET

À chaque équipements PROFINET IO Device est obligatoirement associé un fichier descriptif de type GSD qui comporte les informations nécessaires pour que l’IO Supervisor puisse les intégrer dans I’IO Controller.

Les différentes étapes de l’ingénierie :

Schema Etapes pour la programmation des stations PROFINET IO
Principe d’intégration des IO Device PROFINET
 
  1. Les fichiers descriptifs (GSD) des différents équipements sont chargés dans la bibliothèque de l’IO Supervisor.
  2. Configuration du réseau PROFINET et paramétrage des IO Device.
  3. Transfert du projet dans l’IO Controller.
  4. L’IO Controller vérifie la présence et l’identité des IO Device et leur envoie leurs paramètres. Les stations passent ensuite en échange de données

La 2ème étape (la configuration) mérite un peu plus d’explications.

 

Configuration PROFINET

On commence par donner un nom à chaque IO Device. Ce nom devra correspondre au nom mémorisé dans l’appareil réellement connecté.

La configuration d’un IO Device consiste à définir les données qui seront échangées avec l’IO Controller. Cette configuration dépend du type et de la composition de la station. Dans le cas d’un IO Device simple le constructeur a prédéfini les données échangées et il n’y a pas moyen de les modifier. Par exemple 8 bits d’entrée et 8 bits de sortie.

Pour les appareils plus complexes et/ou modulaires le volume et le type de données échangés dépendent de la composition de la station. En effet, selon que la tête de station accueille 2 modules ou 10, le volume d’information ne sera pas le même.

Schema Slots d’un IO Device
Structure d’une station PROFINET modulaire

L’ io1 ci-dessus, est une station d’E/S déportée comportant 4 cartes :

 

  • SLOT 1 délivre 8 bits d’entrée(1 octet).
  • SLOT 2 reçoit 8 bits de sortie (1 octet).
  • SLOT 3 & 4 délivrent chacun 4 valeurs analogiques (4 x 2 octets).

 

La configuration d’io1 correspond à 17 octets en Entrée et 1 octet en Sortie.

Les utilisateurs habitués à PROFIBUS ne seront pas dépaysés lors de la configuration des IO Devices car les principes de configuration des modules sont identiques.

On définira également la période de production des variables, par exemple 2 ms ainsi que le time out qui permettra de signaler un défaut de communication par exemple : 6 ms.

Le paramétrage permet de définir des paramètres de fonctionnement statiques, par ex. valeur de repli, type d’entrée (0-10V, 4-20 mA…).

Il est également possible de définir une topologie de référence (ce n’est cependant pas une obligation). L’IO Controller génèrera une alarme si la topologie est modifiée, ceci même si PROFINET reste opérationnel.

 

Echange des données process

Alors que PROFIBUS fonctionne suivant un principe Maître-esclave, PROFINET quand à lui utilise le mécanisme de Producteur – Consommateur.

Les IO Devices produisent les entrées qui sont consommées par l’IO Controller et ce dernier produit les sorties qui sont consommées par les IO Devices. Les données sont transmises de manière autonome sur le réseau en fonction du rythme défini lors de la configuration.

Par exemple

device-1 :
rafraichit ses valeurs d’entrée/sorties toutes les 1 ms.

device-2 :
rafraichit ses valeurs d’entrée/sorties toutes 4 ms.

Il est ainsi possible d’ajuster la charge globale du réseau en priorisant les données urgentes. Dans notre exemple, les E/S device-1 seront rafraîchies 1000 fois/sec alors que celles de device-2, moins urgentes, ne seront rafraichies que 250 fois/sec.

Temps de cycle PROFINET
Scrutation des IO Device PROFINET
 
 
Schema Cycle de production des IO Device
Rafraichissement de 2 IO Device

 

Le temps de rafraichissement et le volume de données échangés impacte directement l’occupation de la bande passante d’Ethernet. Dans la majorité des cas le trafic PROFINET restera bien inférieur à 10%.

Cependant, dans des installations comportant un grand nombre d’IO Device la charge peut devenir importante. Il conviendra dans ce cas de personnaliser le temps de rafraichissement plutôt que de généraliser un cycle rapide pour toutes les variables.

La figure ci-dessous permet d’estimer l’occupation du réseau en fonction du nombre d’IO Device.

 

Graphique Trafic en fonction du nombre d’IO device
Influence du nombre de stations sur la charge réseau

 

Identification/ adressage des stations

Dans le chapitre PROFINET et le modèle OSI nous avons vu que les échanges de données process n’exploitent pas les couches Réseau et Transport. Les stations ne sont donc pas identifiées par leur adresse IP ni par une adresse physique comme c’est le cas pour PROFIBUS.

L’identification des différents appareils PROFINET IO se fait par un nom d’équipement. PROFINET utilise le protocole DCP (Discovery Protocol) pour rechercher et nommer les stations PROFINET IO sur un réseau. C’est un protocole de niveau 2 qui ne fait pas appel à IP.

Au démarrage, l’automate recherche chacune des stations configurées grâce à son nom. Ce nom d’équipement peut être assimilé à l’adresse physique que l’on règle sur PROFIBUS. Il récupère ainsi l’adresse MAC qui servira à construire les trames Ethernet, ainsi que l’adresse IP qui sera utilisée pour les opérations d’échanges acycliques (configuration, diagnostic …).

Les attributs indispensables d’une station sont donc :

  • nom équipement,
  • adresse MAC,
  • adresse IP et masque sous réseau.

 

La configuration du nom d’équipement et de l’adresse IP peut se faire de plusieurs manières :

  • via le serveur web du Device IO, si disponible,
  • via un utilitaire (par exemple : Primary Setup Tool, Netilities…),
  • via la station IO Supervisor.

 

Nota Bene : l’adresse IP peut également être affectée automatiquement par l’IO Controller lors du démarrage, dans ce cas elle est dérivée à partir de l’adresse IP de l’automate et d’un numéro d’ordre.

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Reconnaissance de topologie

Le protocole LLDP (Link Layer Discovery Protocol) est un protocole standard selon IEEE 802.1AB. PROFINET l’utilise pour permettre à l’IO Controller et IO Supervisor de connaitre et surveiller la topologie.

Le principe de ce protocole est de permettre aux équipements de faire une découverte de leur voisinage immédiat.

Dans l’exemple ci-contre par exemple : Io2 sait qu’il est relié au port 4 du switch sw1 par son port 1 et au port 1 de io3 par son port 2. Il en est ainsi de tous les équipements, chacun sait à quels voisins il est connecté et par quels port.

Schema Decouverte de la topologie par PROFINET
Reconnaissance de la topologie via LLDP

 

Connaissant les liens qui unissent les équipements, il est possible de reconstituer la topologie.

L’IO Controller peut ainsi signaler une modification de la topologie de référence et un IO Supervisor est capable de représenter la topologie sous forme graphique.

Capture écran Architecture PROFINET temps réel
Topologie en ligne sur un IO Supervisor

 

Un autre intérêt de l’exploitation de LLDP par PROFINET concerne le remplacement d’appareil.

 

Remplacement d’un IO Device

Le protocole LLDP (Link Layer Discovery Protocol) est un protocole standard selon IEEE 802.1AB. PROFINET l’utilise pour permettre à l’IO Controller et IO Supervisor de connaitre et surveiller la topologie.

Le principe de ce protocole est de permettre aux équipements de faire une découverte de leur voisinage immédiat.

 

Diagnostic

Le concept de diagnostic de PROFINET est particulièrement abouti. Il s’inspire fortement de ce qui était déjà disponible sur PROFIBUS. En fonction de leur nature, les défauts sont affectés à la source suivant une hiérarchie Station / Slot / Subslot.

Schema Diagnostic par slot
Structure de diagnostic PROFINET

Exemple 

La station io1 signale un défaut provenant du slot 3 et concernant le Subslot 2. Le constructeur de l’équipement peut donner des détails complémentaires sur l’origine précise du défaut, par ex. « Court- circuit sur la voie 2 », ces détails sont renseignés dans le fichier GSD.

 

Accès aux informations de diagnostic

Il y a 3 solutions pour accéder aux diagnostics :

  • IO Controller qui est le premier destinataire de l’alarme.
  • IO Supervisor qui peut aller consulter l’état général de l’installation et d’un IO Device en particulier.
  • Navigateur Internet qui permettra de se connecter sur le serveur Web de l’équipement (si dispo) et d’afficher la page diagnostic.

 

En général l’alarme remonte vers l’IO Controller permettant une position de repli, le cas échéant, et l’on utilise l’IO Supervisor ou le serveur Web pour affiner le diagnostic.

 

Catégories d’alarme

Les alarmes sont classées en fonction de leur sévérité et donc de leur impact sur l’exploitation.

Schema Niveaux de Diagnostic PROFINET
Classification des alarmes PROFINET

Diagnostic réseau

PROFINET peut également générer des alarmes en cas de défaillance ou perte d’un lien Ethernet, changement de la topologie, activation de la redondance…

 

Priorisation des trames PROFINET

PROFINET étant basé sur les standards Ethernet, un réseau comportant des équipements PROFINET est donc susceptible de transporter d’autres données, par exemple pour consulter le serveur Web d’un équipement.

Cette ressource que constitue le réseau global est exploitée pour des données process (urgente) et d’autres communications (non urgente). À certain moment, il est donc possible que deux requêtes doivent être acheminées simultanément ce qui est impossible.

PROFINET utilise le standard Ethernet 802.1q qui définit 8 niveaux de priorité ; 0, moins prioritaire, à 7, plus prioritaire. Les trames de données PROFINET sont émises avec le niveau 6 elles seront donc transmises avant le trafic IT standard.

Schema PROFINET et standard 802,1q
Priorisation des trames PROFINET

Dans l’exemple ci-dessus, l’IO Controller envoie une consigne à destination de io2, au même moment le PC souhaite consulter la page Web de io3. Les deux trames arrivent simultanément l’une sur le port 1, l’autre sur le port 2 du switch. Il faut les faire transiter par le port 4 pour qu’elles parviennent à destination. Grâce à sa haute priorité, la trame PROFINET sera transmise immédiatement alors que la requête Web du PC devra attendre la disponibilité du port.

 

Wireless

Certaines applications demandent une communication sans fil soit pour des raisons techniques, soit parce qu’une liaison filaire aurait un cout prohibitif. Pour ces besoins PROFINET exploite le standard WiFi. On utilise des points d’accès et des clients pour établir ces liaisons sans fil, à noter cependant qu’il existe également des IO Devices intégrant directement une liaison WiFi. Pour l’utilisation de PROFINET IO Safety wireless, le standard recommandé est le 802.11a (5 Ghz).

Attention : la vitesse de transmission plus faible peut conduire à augmenter le temps de cycle et réduire le nombre de clients par point d’accès.

Par ailleurs pour garantir une transmission fiable, il est recommandé de réaliser au préalable une étude de site afin de vérifier l’occupation et la charge des différents canaux et l’atténuation du signal aux endroits critiques. Les applications courantes de PROFINET sans fil sont les ponts roulants, les véhicules mobiles automatiques, les grues et portiques, les terminaux de dialogue mobiles …

Schema PROFINET avec utilisation de sans-fil wifi
Exemple d’architecture PROFINET sans fil

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Profils PROFINET

Tout comme PROFIBUS, PROFINET a élaboré des spécifications particulières pour répondre à des besoins communs à une famille de produits (variation vitesse, pesage…) ou à une application (sécurité, efficacité énergétique …).

Ces spécifications complémentaires portent le nom de profils, ils visent à garantir l’interopérabilité au niveau applicatif de produits issus de constructeurs différents. Ci-dessous l’exemple du profil PROFIsafe.

 

PROFIsafe via PROFINET

PROFIsafe est un profil de PROFINET garantissant une transmission sure des informations de sécurité. Il a été standardisé sous IEC 61784-3-3 et garantit un niveau SIL3 dans la transmission des données de sécurité. Il est donc possible de rapatrier des informations de sécurité câblées sur des IO Devices vers l’automate de sécurité grâce à un réseau PROFINET. Des équipements de sécurité PROFIsafe et des IO Device PROFINET standard peuvent cohabiter sur le même réseau PROFINET.

La communication PROFIsafe est transmise sur le même réseau que la communication PROFINET standard. Certaines trames PROFINET contiennent à la fois des données cyclique classiques et des données PROFIsafe. La transmission des données Safety peut se faire via l’infrastructure classique (cuivre) mais également en WiFi ce qui peut générer de substantielles économies.

Schema PROFINET et securite fonctionnelle
Exemple d’architecture PROFINET avec PROFIsafe

 

PROFINET IRT

IRT signifies Isochronous Real Time. PROFINET dans sa version normale permet d’atteindre des temps de rafraîchissement de 1 ms. Ce temps est largement suffisant pour la plupart des applications, cependant certaines applications particulières ont besoin d’un temps de rafraichissement encore plus bas avec une notion de synchronisme. C’est-à-dire qu’il il faut assurer, par exemple, un temps de cycle de 250 µs de manière constante.

PROFINET IRT permet un temps de rafraichissement de 250 µs (voire moins) en respectant un jitter de 1µs max.

Illustration cycle PROFINET IRT

En résumé un cycle sera au minimum de 249 µs et au maximum de 251 µs.

Pour garantir ces performances, il faut bien sûr que l’équipement soit conforme IRT mais l’infrastructure (switches) également doit être IRT.

Le principe général d’IRT consiste à réserver une partie de la bande passante à l’usage exclusif des trames IRT, toute autre communication sera interdite dans cette tranche de temps.

Graphique PROFINET RT et PROFINET IRT
Répartition des trames dans le temps de cycle

 

Le graphique ci-dessus représente un exemple de la variabilité du cycle en fonction du mode de transmission. Le trafic IT normal présente une variabilité de 100%, le cycle nominal de 100 ms peut descendre à 90 ms ou monter à 190 ms. Le jitter du trafic RT (Real Time), standard de PROFINET est de 15%. Le cycle va de 9,5 à 11 ms. Le cycle du trafic IRT est précis à ±1 µs.

 

Certification PROFINET

Contrairement à Profibus pour lequel la certification est recommandée mais facultative, tous les équipements PROFINET IO doivent obligatoirement être certifiés avant de pouvoir être commercialisés. Il existe 3 niveaux de certification correspondant aux classes A, B et C. La certification est assurée par 8 laboratoires indépendants : 5 en Europe, 1 en Chine, 1 au Japon et 1 aux USA.

Tampon-de-certification-certified.png
Tableau Certification PROFINET CC-A CC-B et CC-C
Exigences en regard de la classe de conformité

Les centres de compétence, familiers de la technologie et des procédures sont capables d’accompagner les constructeurs d’équipements dans leur demande de certification ce qui permet un gain de temps tout en sécurisant la démarche.

 

Intégration de bus de terrain dans PROFINET IO

Par rapport aux technologies de bus de terrain traditionnelles (Modbus, PROFIBUS, CAN …) PROFINET IO constitue une nouvelle technologie qui vient souvent s’insérer sur un site et donc dans un environnement existant. Il est donc parfois nécessaire d’intégrer soit des équipements soit même un réseau dans PROFINET.

Il existe plusieurs solutions.
Dans certains cas il suffit de remplacer la tête de station ce qui peut s’avérer le plus pertinent tant d’un point de vue technique qu’économique. Si ce n’est pas possible il y a la solution de la passerelle ou du proxy.

Passerelle

Une passerelle gère 2 protocoles différents, dans notre cas elle se comporte comme un IO Device coté PROFINET et elle s’intègre de la même manière qu’un autre IO Device. De l’autre côté elle interroge (maitre) ou reçoit les données en provenance d’un ou plusieurs équipements via un bus de terrain classique.

 

Exemple d’architecture

La passerelle AGILiGATE permet d’intégrer un ou plusieurs équipements MODBUS dans une architecture PROFINET. La mise en œuvre se fait avec les outils PROFINET standards. Un serveur Web permet une visualisation des données échangées et du diagnostic avancé.

Schema passerelle AGILiGATE PROFINET MODBUS
Exemple d’intégration d’équipements Modbus dans PROFINET

 

Proxy

Une passerelle gère 2 protocoles différents, dans notre cas elle se comporte comme un IO Device coté PROFINET et elle s’intègre de la même manière qu’un autre IO Device. De l’autre côté elle interroge (maitre) ou reçoit les données en provenance d’un ou plusieurs équipements via un bus de terrain classique.

 

Exemple d’architecture

Un utilitaire permet de convertir les fichiers GSD des esclaves PROFIBUS en GSD PROFINET. Après quoi ils sont intégrés de manière classique grâce à l’IO Supervisor. Le Proxy se charge de masquer la différence aux yeux de l’IO Controller.

Schema proxy PROFINET PROFIBUS
Intégration de PROFIBUS dans PROFINET
 

Formations

PROFINET est certes basé sur des standards Ethernet mais comme cela a été décrit tout au long de ce tutorial il s’agit d’une technologie de pointe adaptée aux besoins de l’automatisme. Des formations certifiées dont le contenu a été défini par l’association PROFIBUS INTERNATIONAL sont dispensées par les centres de formation agréés. Pour gagner en temps et en sécurité dans le déploiement de PROFINET, les utilisateurs auront avantage à se former.

AGILiCOM vous propose une gamme de formations adaptés aux besoins de chacun.

Plus de renseignements sur les formations PROFINET IO ici.

 

Diagnostic et maintenance

Les réseaux Ethernet sont très différents dans leur structure et leur déploiement des bus de terrain traditionnels. Ces derniers partagent le même média. En cas de défaillance d’un des composants du réseau (station, connecteur, câble…) une ou plusieurs stations pourront être affectées de manière permanente ou aléatoire. Dans un réseau PROFINET chaque lien forme un segment électrique indépendant. Un défaut sur ce lien n’affectera que les 2 équipements aux extrémités. Par exemple un court-circuit ne pourra jamais se propager aux autres stations PROFINET du réseau. De ce point de vue, la maintenance s’en trouvera simplifiée. Si un équipement ne répond plus il suffit de contrôler le lien qui le relie au réseau.

Une autre différence concerne la spécialisation d’un bus de terrain et l’universalité d’Ethernet. Un bus traditionnel, par ex : PROFIBUS, accueillera exclusivement des équipements dialoguant sous PROFIBUS, pas de stations Modbus, ASi ou CAN. Le réseau PROFINET est basé sur Ethernet et il est donc possible de partager l’infrastructure et de connecter des stations Modbus TCP, Ethernet IP… ainsi que des équipements qui n’ont rien d’industriel ; une caméra IP, des PC bureautique, des imprimantes, des points d’accès WiFi…

Le trafic ainsi généré peut avoir un impact sur le fonctionnement et les performances de PROFINET. Dans certains cas le matériel est officiellement connecté dans d’autres il s’agit d’hôtes clandestins permanent ou non.

Pour avoir une bonne vision du fonctionnement du réseau et donc des anomalies, il faut privilégier des équipements d’infrastructure (switch) administrables. En effet, ces derniers intègrent des fonctions avancées en termes de diagnostic, de filtrage, de redondance etc...

Ces informations sont mises à disposition sur un serveur Web intégré ou via le protocole SNMP*. Ce dernier permettra la mise en place d’un système NMS*. Le NMS peut être considéré comme un outil de supervision dédié au réseau. Il le surveille et signale les évènements ; changement de topologie, connexion interrompue, charge anormale, basculement de la redondance …

Capture ecran Network Management Station SIEMENS
NMS Sinema Server de Siemens

 

Capture ecran Network Management Station HIRSHMANN
NMS Hi-Vision

Pour vérifier rapidement le bon fonctionnement d’une installation PROFINET et le respect des performances, Netilities permet de récolter automatiquement les principaux paramètres. C’est un outil particulièrement utile lors de la réception du réseau car il va également simplifier la documentation en générant un rapport automatique.

En cas de panne, nos experts effectuent un diagnostic. Ils identifient les dysfonctionnement et vous proposent des solutions pour rétablir le bon fonctionnement de votre réseau. Pour prévenir ces dysfonctionnement, ils peuvent établir une audit de votre installation en amont.

 

*SNMP: Simple Network Management Protocol (Protocole applicative dédié à la surveillance et à la gestion d’une infrastructure informatique). *NMS: Network Management Station (Station de contrôle fédérant les informations et évènements du réseau).

 

Faut-il basculer de PROFIBUS à PROFINET ?

Il est bien évidemment impossible de répondre simplement par OUI ou NON à cette question. On peut bien sur comparer les fonctionnalités des 2 solutions mais il faudra également tenir compte de chaque contexte particulier. La base installée, la formation du personnel, les pièces détachées, les outils de maintenance et diagnostic, les extensions et rewamping à venir.

À de rares exceptions près, les performances de PROFIBUS en nombre de stations et vitesse de rafraichissement sont suffisantes, l’intérêt d’une architecture PROFINET sera plus dicté par des considérations de fonctionnalités et/ou d’architecture.

Tableau comparaison reseau terrain PROFIBUS DP et Ethernet industriel  PROFINET
Comparatif PROFIBUS PROFINET

 

PROFIBUS DP a prouvé son efficacité et des dizaines de milliers de sites industriels fonctionnent grâce à ce réseau. Il n’est donc pas près de disparaître et continuera son développement. Cependant aujourd’hui, c’est Ethernet qui concentre les avancées en termes de performance et innovation dans le domaine des automatismes industriels, il est donc légitime et pertinent d’évaluer la solution PROFINET lorsque de nouveaux investissements sont envisagés.

Vous souhaitez un conseil, un point de vue, contactez nous.

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Technicien supérieur automatisme H/F en home office
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