Pourquoi Le Réseau OT A-t-il Besoin D'un Réseau Sensible Au Temps (TSN) Pour Garantir Des Performances En Temps Réel ?

Les réseaux technologiques opérationnels ont des exigences strictes en matière de performances et de déterminisme en temps réel, auxquelles l'Ethernet traditionnel est difficile à satisfaire. Les réseaux sensibles au temps fournissent des solutions de transmission de données déterministes pour des domaines clés tels que l'automatisation industrielle, l'automobile et l'énergie via une série de protocoles standard. Il modifie fondamentalement la méthode de communication des réseaux OT et garantit que les données clés sont fournies de manière fiable dans des fenêtres temporelles précises.

Comment TSN assure la certitude de la transmission des données

L'Ethernet traditionnel utilise un mode de transmission « au mieux » et les paquets de données connaîtront des retards imprévisibles en raison de la congestion du réseau. Les réseaux sensibles au temps résolvent ce problème en introduisant des mécanismes de synchronisation temporelle et de planification au niveau de la couche liaison de données. Tous les appareils compatibles TSN horodatent chaque trame de données sur la base de la même horloge de haute précision.

Sur cette base, TSN utilise des ordonnanceurs tels que des modeleurs temporels pour pré-attribuer des fenêtres horaires de transmission fixes pour différents types de flux de données. Par exemple, des données critiques telles que des instructions de contrôle sont programmées pour être transmises pendant une période de « gating » protégée, pendant laquelle tout autre trafic non critique sera suspendu de force. Un tel mécanisme garantit que le retard et la gigue de bout en bout du trafic critique sont strictement limités au niveau de la microseconde.

Quels sont les éléments clés des normes fondamentales de TSN ?

Le réseau sensible au temps n’est pas une technologie unique. Il s'agit d'une famille de normes développées par le groupe de travail IEEE 802.1. Le plus basique est le 802.1AS-Rev, qui définit un protocole temporel de précision généralisé et peut fournir une synchronisation temporelle inférieure à la microseconde pour les appareils du réseau. S’il n’y a pas de synchronisation précise, la planification ultérieure et le contrôle du flux ne seront pas possibles.

802.1Qbv est une autre norme de base, qui est un modeleur temporel, qui permet aux commutateurs réseau d'ouvrir ou de fermer périodiquement des files d'attente de transmission pour différents trafics prioritaires selon un calendrier prédéfini. De plus, 802.1Qcc renforce le modèle de configuration réseau et 802.1CB fournit un mécanisme de duplication et d'élimination de trames pour obtenir une redondance transparente. Ces normes fonctionnent ensemble pour former la base d’un réseau déterministe.

Pourquoi le domaine de l'OT doit déployer de toute urgence TSN

Premièrement, dans les environnements techniques opérationnels, tels que les lignes de production automobile ou les réseaux intelligents, les boucles de contrôle ont des exigences strictes en matière de limites supérieures en matière de délais de communication, qui sont généralement complétés en quelques millisecondes. Deuxièmement, les réseaux industriels traditionnels utilisent une variété de protocoles de bus de terrain fermés, ce qui crée des « îlots d'informations » et rend l'expansion et l'interopérabilité des systèmes très médiocres. Enfin, TSN est basé sur le standard Ethernet, créant la possibilité d'une architecture réseau unifiée.

Le déploiement de TSN peut intégrer tout le trafic tel que le contrôle en temps réel, les alarmes de sécurité, la configuration des équipements et la vidéosurveillance dans un seul réseau physique. Cela réduit non seulement considérablement la complexité et le coût du câblage, mais, plus important encore, permet l'intégration réelle des réseaux IT et OT. Le personnel d'exploitation et de maintenance peut obtenir des données à l'échelle de l'usine tout au long du processus de fabrication, fournissant ainsi une base de données pour la maintenance prédictive et l'optimisation des processus de production.

Scénarios d'application spécifiques du TSN dans l'automatisation industrielle

Dans le scénario de fabrication flexible, la réorganisation de la chaîne de production nécessite de fréquentes opérations collaboratives synchrones entre robots, AGV et automates. TSN peut en outre garantir que les instructions de contrôle de mouvement réalisent une synchronisation précise et permettent une opération collaborative précise entre plusieurs axes. Tout comme lorsque plusieurs bras de robot transportent collectivement une grande pièce à usiner, des erreurs de communication de l'ordre de la milliseconde peuvent conduire à l'échec de la tâche.

Il existe un autre scénario typique, appelé système d'inspection par vision industrielle. Les grandes quantités de données d’images produites par les caméras haute résolution doivent être strictement synchronisées avec les signaux de commande mécaniques. TSN peut garantir que les données d'image sont transmises à l'unité de traitement sans instabilité dans la fenêtre de temps spécifiée, puis que les résultats traités sont renvoyés au contrôleur à temps pour déclencher l'action de tri. Une telle certitude rend le rythme du contrôle parfaitement adapté au rythme de la chaîne de production.

Quels sont les principaux enjeux du déploiement des réseaux TSN ?

La première chose qui existe est la mise à niveau et la compatibilité des équipements existants. De nombreux appareils OT utilisés ne prennent pas en charge le protocole TSN. Le coût de leur remplacement serait très élevé. Une solution transitoire consiste à déployer des commutateurs TSN sur les chemins critiques du réseau pour former le backbone, tandis que le réseau d'origine est toujours utilisé en périphérie. Toutefois, cela limitera la pleine utilisation des avantages de TSN. Le principal défi consiste donc à planifier une migration fluide.

La planification du réseau est devenue extrêmement complexe, la configuration du réseau est devenue extrêmement complexe et la gestion du réseau est devenue extrêmement complexe. Définir la période de synchronisation temporelle est extrêmement difficile, planifier les créneaux horaires de transmission pour chaque flux de données clés est particulièrement fastidieux et les tâches telles que la configuration des listes de contrôle sont assez compliquées. Ces tâches nécessitent des outils spéciaux et des connaissances professionnelles approfondies. Une fois qu’une erreur se produit dans la configuration du réseau, elle est très susceptible de provoquer des troubles de la communication dans l’ensemble du système. Par conséquent, former une équipe d’ingénieurs possédant les compétences TSN est une condition préalable à un déploiement réussi. Par conséquent, la mise en place d’une équipe d’ingénieurs possédant les compétences TSN est une condition préalable à un déploiement réussi.

Comment planifier et mettre en œuvre une migration de réseau TSN

Réaliser un audit approfondi du trafic qui sert de base à toute conception de planification ultérieure est la première étape de la planification visant à identifier les sources, les destinations, la taille des données, la périodicité et les exigences de latence dans le pire des cas de tout le trafic critique. Vous devez également travailler en étroite collaboration avec les fournisseurs d'équipements et les ingénieurs de la chaîne de production pour élaborer une carte précise des besoins en communication.

Au niveau de la mise en œuvre, il est recommandé d’adopter une stratégie par étapes, et il s’agit d’une stratégie pilote à petite échelle. Il peut être déployé d'abord sur une ligne de production de démonstration distincte, ou déployé dans une section clé pour vérifier les performances du TSN et accumuler de l'expérience en matière d'exploitation et de maintenance. Lors de la configuration, la compatibilité de TSN doit être pleinement utilisée. Au début, le trafic critique et le trafic non critique doivent coexister, et la stratégie de planification doit être progressivement optimisée pour finalement parvenir à une communication déterministe sur l'ensemble du réseau.

Avec les progrès de l'Internet industriel et du « Made in China 2025 », quels sont selon vous les premiers obstacles à surmonter pour mettre en œuvre les réseaux TSN au sein de votre industrie ou de votre usine ? Est-ce la difficulté de moderniser des équipements anciens, le manque de talents techniques ou des doutes sur le retour sur investissement ? Bienvenue pour partager vos opinions dans la zone de commentaires. Si cet article vous est utile, aimez-le et soutenez-le.