Fast & GIGABIT Ethernet
OF vertrouwt U meer op DE BUS?

Wordt Ethernet hét netwerk voor industriële automatisering, of zal het verantwoordelijk zijn voor nog méér problemen? Ethernet’s wereldwijde aanvaarding in industriële- en kantooromgevingen heeft ambities opgewekt om het ook voor de productievloer te gebruiken. Ondermeer BIRA organiseert er in het najaar een studiedag over.

Niemand betwist vandaag nog dat Ethernet zich leent tot taken als data monitoring en het onderhoud van programma’s. Dat is al een - zij het eenvoudige - vorm van transfert van industriële data. Velen voorspellen echter dat de recente evolutie van de Ethernet- en vooral van Fast en zelfs Gigabit-technologie - het ook mogelijk zal maken om kritische real-time data te verzenden, een taak die op dit ogenblik door bestaande industriële automatiseringsnetwerken en -bussen op zich genomen wordt. Maar niet iedereen is zo optimistisch. Tegenstanders stellen dat Ethernet fundamenteel werd ontworpen voor kantoorautomatisering en dat het nooit veldbussen zal evenaren in performantie en betrouwbaarheid.

Veldbussen
De transfert van realtime data is overwegend nog het voorrecht van allerlei (veld)bus–systemen waarvan er de laatste drie decennia tientallen het levenslicht zagen. De ontwikkeling van geschikte elek–tronica, netwerkconfiguraties, bekabeling en aanverwante verbindingshardware en systeemsoftware bleek complex, tijdrovend en duur te zijn. Zodoende bleef een "universeel" bussysteem tot op heden uit en richten de meeste veldbussen zich tot ‘niches’. Echter, wil men een echte universele ‘backbone’ in een productiebedrijf creëren, dan dient een bus over de bit-level sensor-, device-, controle- en business-niveaus heen te werken. De ontwikkelingen in de Ethernet-technologie, thans gekoppeld aan de opbouw via TCP/IP Ethernet van Intranet/Internet-infrastructuren, maken dat bedrijven wel oren hebben naar een Industrieel Ethernet dat hun netwerkinvesteringen in evenwicht zou kunnen brengen.
Hoe dan ook rukt Ethernet langzaam maar zeker op. Bijvoorbeeld Foundation Fieldbus koos voor Ethernet als drager. Diverse controlesystemen zijn gestoeld op Ethernet, maar gebruiken wel hun eigen electronica: dat is ondermeer het geval met Foxboro I/A Series Nodebus en ABB Industrial Automation’s Advant en Symphony (een ontwikkeling van Elsag-Bailey, thans overgenomen door ABB).

Gekende electronica
Het voordeel van Ethernet is dat de nodige elektronica reeds geruime tijd geleden ontwikkeld werd. Grote getallen maken lage prijzen en zowel de PC-kaarten voor de 10 Mbps- als de 100 Mbps-versie kosten ongeveer evenveel. Een andere recente ontwikkeling, met de IEEE specificatie 802.3z, is Gigabit Ethernet. Dit protocol werd precies ontwikkeld om een bedrijfsoverkoepelende netwerkarchitectuur op te bouwen. Hoewel de hoge snelheid van 1000 Mbps industriële gebruikers zeker zal aanspreken, is het (thans nog) een té dure oplossing voor werkstations, printers, en andere netwerkperiferie. Maar zoals gezegd: grote productiereeksen maken lage prijzen, en de evolutie terzake laat zich makkelijk voorspellen.

Niet-deterministisch
Ethernet wordt verweten niet-deterministisch te zijn. Zelfs bij een lichte belasting van het netwerk blijft de kans op het "botsen" van data reëel en wordt een kritische boodschap mogelijk niet tijdig geleverd. Dat geeft problemen voor kritische toepassingen. Recent werden uitbreidingen aan de protocol aangebracht, precies om dit risico te beperken. En er zijn zelfs diverse recentelijk gelanceerde en goedgekeurde protocolwijzigingen, eigenlijk bestemd voor niet-industriële toepassingen, die als effect hebben dat de waarschijnlijkheid op botsingen nog kleiner wordt.

Intelligente hubs
Ethernet was oorspronkelijk bedacht als een 'multidropped'-netwerk met vampier-connectoren. Alhoewel deze goedkoop en gemakkelijk te installeren waren, bleek dit systeem onpraktisch te zijn. De evolutie van de installatietechniek en kostprijsoverwegingen zorgden er voor dat de topologie evolueerde naar de stervorm en de fysische drager naar twisted pair-bekabeling. Recente hardware-ontwikkelingen deden de performantie verder stijgen en het ziet er naar uit dat de de bezorgheid over het niet-deterministische karakter van Ethernet stilaan van de baan raakt. ‘Intelligente’ hubs, met de ingebouwde mogelijkheid om boodschappen te ‘schakelen’, en full duplex bekabeling (de coaxiale kabel die in de meeste industriële toepassingen gebruikt wordt, is half duplex) maken Ethernet naar verluidt zelfs volledig deterministisch en elimineren het probleem van onvoorspelbare vertragingen in de informatie-overdracht. Ook de schakelhardware wordt goedkoper: het vooraanstaande Amerikaanse marktstudiebureau ARC citeert prijzen van gemiddeld $100 (3.500,-BEF) per stuk voor standaard en $300 (10.500,-BEF) per stuk voor Fast Ethernet netwerken.
Een andere flessenhals is de ‘overhead’ van het netwerk. Het protocol vereist namelijk een volledig 32-bit adres, een 32-bit ‘redundantie code frame check’-sequentie, en minimum 46 bytes boodschaplengte. Ethernet vereist deze minimum boodschaplengte voor de detectie van conflicten tussen twee apparaten die zich aan de tegenovergestelde uiteinden van het netwerk bevinden. Omdat gespecialiseerde industriële netwerken (Profibus, Foundation Fieldbus, enz.) minder ‘nodes’ hebben en geen lange adressen vereisen, blijken industriële gebruikers een afkeer te hebben van het gebruik van lange boodschappen (46bytes) om kleine datareeksen door te sturen. Er wordt vaak gesteld dat Ethernet eigenlijk géén protocol is, maar 'een methode om de kabel te delen.'

Veiligheid voor alles
Indien Ethernet effectief doorbreekt in de procesindustrie (wat via Foundation Fieldbus eigenlijk aan het gebeuren is), zal ook het probleem van Ex-omgevingen de kop opsteken. Ethernet is nog niet aanbevolen voor omgevingen die intrinsiek een veilige werking vereisen. Alhoewel niet intrinsiek veilig op zichzelf, kan Ethernet dankzij explosie-veilige kabelbanen toch door riskante omgevingen geloodst worden. Op dit ogenblik zijn er geen plannen om dit te certificeren voor explosieveilige toepassingen. Over het algemeen wordt drievoudige redundantie als standaard voor intrinsieke veilige controlesystemen aanvaard. Hoewel dubbele redundantie voor de meeste Ethernet-toepassing direct beschikbaar is, is dit niet het geval voor drievoudige redundantie. Veiligheidssystemen die tegenwoordig commercieel beschikbaar zijn, zijn hoog gespecialiseerd en meestal merkgebonden. Tenzij een fabrikant van veiligheidssystemen zelf beslist Ethernet te gebruiken, is diens gebruik in een veiligheidssysteem beperkt.

Toepassing in het bedrijf
Zoals onze collega-redacteurs van het gerenommeerde vakblad Control Engineering het onlangs schreven, blijven ondanks alle gunstige perspectieven, een aantal vragen om een duidelijker antwoord vragen:
- Kunnen de hoeveelheid en het type van apparaten, de omvang van de vereiste data pakketten, en de uitwisselingsfrequentie zo beheerd worden opdat een aanvaardbaar niveau van systeem determinisme en herhaling kan worden geleverd?
- Zal de geanticipeerde vermenging van informatie en controleboodschappen de timingvereisten van de toepassing beïnvloeden?
- Zijn de controle apparaten onderling uitwisselbaar, of verschilt de het protocol op toepassingsniveau van fabrikant tot fabrikant?
- Zijn de hardware- en andere netwerkcomponenten voldoende robuust voor industriële omgevingen?
- Hoe zit het met de vereiste goedkeuringen voor industriële omgevingen?

Waarheen?
Hoewel Ethernet thans nog steeds in zee gaat met andere protocollen op het industriële speelveld, is de tijd bijna aangebroken dat het zelfstandig gaat opereren. Naarmate de problematiek rond determinisme en redundantie vervaagt door de verbeteringen inzake snelheid en hardware, zou Ethernet "onafhankelijk" kunnen opereren in sommige industriële controle-applicaties. Hoe dan ook wordt Ethernet een vaste waarde, tot spijt van wie het benijdt.

Fast & GIGABIT Ethernet
Ou, faites-vous plus confiance au BUS?

Ethernet deviendra-t-il le réseau de l’automatisation industrielle ou viendra-t-il encore accroître le nombre de problèmes ? L’acceptation mondiale d’Ethernet dans les environnements industriels et de bureau a généré l’ambition d’utiliser ce réseau également au niveau du terrain. Le BIRA organise notamment à l’automne une journée d’étude à ce sujet.

Personne ne conteste aujourd’hui le fait qu’Ethernet se prête à des tâches comme la surveillance des données et l’entretien de programmes. C’est déjà là une forme – bien que simpliste – de transfert de données industrielles. Nombreux sont ceux qui prédisent néanmoins que la récente évolution d’Ethernet – et surtout de la technologie Fast et même Gigabit – permettront également l’envoi de données critiques en temps réel, tâche qui est aujourd’hui assumée par les réseaux et bus d’automatisation industrielle. Mais tout le monde ne partage pas cet optimisme. Les adversaires pensent qu’Ethernet a été fondamentalement conçu pour l’automatisation de bureau et qu’elle n’offrira jamais les mêmes performances et la même fiabilité que les réseaux de terrain.

Les réseaux de terrain
Le transfert de données en temps réel est principalement le privilège de toutes sortes de bus de terrain. Des dizaines de bus ont d’ailleurs vu le jour au cours des trois dernières décennies. Le développement d’une électronique appropriée, de configurations de réseau, d’un câblage et de matériels de raccordement connexes et logiciels de système appropriés semblait complexe, fastidieux et coûteux. C’est pourquoi le système de bus ‘universel’ se faisait, jusqu’à ce jour, attendre et que la plupart des réseaux de terrain s’orientaient vers des ‘niches’. Si l’on souhaite toutefois créer une véritable épine dorsale universelle dans une société de production, le bus doit être opérationnel au niveau du bit, du capteur, de l’unité, du contrôleur et du business. Suite aux développements de la technologie Ethernet, liée désormais à la construction des infrastructures Intranet/Internet via Ethernet TCP/IP, les sociétés marquent leur intérêt pour un Ethernet industriel qui pourrait équilibrer leurs investissements en réseau. Quoiqu’il en soi, l’Ethernet progresse lentement mais sûrement. Foundation Fieldbus a, par exemple, choisi Ethernet comme vecteur. Différents systèmes de contrôle se basent sur Ethernet tout en utilisant leur propre électronique : c’est notamment le cas de Foxboro I/A Series Nodebus et de l’Advant et le Symphony d’ABB Industrial Automation (Symphony est un développement d’Elsag-Bailey, aujourd’hui repris par ABB).

Electronique connue
Ethernet a l’avantage de s’appuyer sur une électronique éprouvée depuis déjà pas mal de temps. Les grands nombres font les petits prix . Le prix des cartes PC de la version 10 Mbps et de la version 100 Mbps sont environ identiques. Le Gigabit Ethernet est un autre développement récent, doté de la spécification IEEE 802.3z. Ce protocole a été précisément développé pour construire une architecture de réseau chapeautant toute l’entreprise. Il va sans dire que la vitesse élevée de 1000 Mbps intéressera certainement les utilisateurs industriels, mais cette solution est encore trop coûteuse (du moins à l’heure actuelle) pour les stations de travail, les imprimantes et les autres périphéries de réseau. Cependant, nous le répétons : les grandes séries de production font diminuer les prix, et l’évolution en la matière est aisément prévisible.

Non déterministe
On reproche à Ethernet de ne pas être déterministe. Même en cas de faible charge du réseau, le risque de collision des données reste bien réel et un message critique peut ne pas être livré en temps voulu. Ceci engendre des problèmes pour les applications critiques. Le protocole a récemment été élargi, précisément pour réduire ce risque. Il existe même différentes modifications de protocoles, récemment lancées et approuvées, destinées en fait aux applications industrielles, qui réduisent encore davantage la probabilité de collisions.

Des concentrateurs intelligents
A l’origine, Ethernet a été conçu comme un réseau ‘multidropped’ avec des connecteurs vampires. Bien que leur installation était peu coûteuse et simple, ce système s’avéra peu pratique. Suite à l’évolution de la technique d’installation et aux considérations de prix, la topologie a évolué vers la forme en étoile et le porteur physique vers le câblage en paires torsadées. Les récents développements hardware ont continué à augmenter les performances et tout porte à croire que les soucis concernant le caractère non déterministe d’Ethernet disparaissent tout doucement.
Les concentrateurs ‘intelligents’, qui intègrent la possibilité de ‘commuter’ des messages, et le câblage full duplex (le câble coaxial utilisé dans la plupart des applications industrielles) rendent Ethernet, selon les dires, même complètement déterministe et éliminent le problème des ralentissements imprévisibles dans le transfert d’informations. Le matériel de commutation devient également plus accessible : le célèbre bureau d’études de marché ARC cite des prix d’environ $100 (3.500 BEF) par pièce pour les réseaux standard et $300 (10.500 BEF) par pièce pour les réseaux Fast Ethernet.
L’overhead du réseau constitue un autre goulot d’étranglement. Le protocole exige en effet une adresse complète de 32 bits, une séquence redondante ‘code frame check’ de 32 bits et une longueur de message de minimum 46 bytes. Ethernet requiert cette longueur de message minimale pour détecter les éventuels conflits entre deux appareils situés aux extrémités opposées du réseau. Comme les réseaux industriels spécialisés (Profibus, Foundation Fieldbus, etc.) ont moins de ‘nœuds’ et n’exigent pas de longues adresses, les utilisateurs industriels semblent éprouver une aversion contre l’utilisation de longs messages (46 bytes) pour transmettre de petites séries de données. On prétend souvent qu’Ethernet n’est, en fait, pas un protocole mais ‘une méthode pour partager le câble’.

La sécurité avant tout
Si Ethernet devait effectivement percer dans l’industrie du process (ce qui est en fait en train de se produire au travers de Foundation Fieldbus), sa réussite soulèverait inévitablement le problème des environnements Ex. Ethernet n’est pas encore recommandé pour les environnements qui exigent un fonctionnement intrinsèquement sûr. Bien qu’il ne soit pas intrinsèquement sûr en soi, Ethernet peut néanmoins être tiré au travers d’environnements à risques en utilisant des chemins de câbles prévus contre tout risque d’explosion. Il n’existe aujourd’hui aucun plan permettant de certifier cette solution dans le cadre d’applications intrinsèquement sûres. En général, la redondance triple est reconnue comme standard pour les systèmes de contrôle intrinsèquement sûrs. Bien que la double redondance soit directement disponible pour la plupart des applications Ethernet, ce n’est pas le cas pour la redondance triple. Les systèmes de sécurité actuellement commercialisés, sont hautement spécialisés et généralement liés à une marque. A moins qu’un fabricant de systèmes de sécurité ne décide d’utiliser Ethernet, son utilisation est réduite dans les systèmes de sécurité.

Applications en entreprise
Comme nos collègues rédacteurs de la revue Control Engineering l’ont récemment écrit, certaines questions exigent une réponse plus claire, malgré toutes les perspectives favorables :
- Est-il possible de gérer la quantité et le type d’appareils, le volume de paquets de données requis et la fréquence d’échange afin de pouvoir garantir un niveau acceptable de déterminisme et une répétitivité du système ?
- Le mélange anticipé d’informations et de messages de contrôle influencera-t-il les exigences de timing de l’application ?
- Les appareils de contrôle sont-ils mutuellement interchangeables ou le protocole diffère-t-il au niveau de l’application d’un fabricant à l’autre ?
- Les composants hardware et autres composants de réseau sont-ils suffisamment robustes pour les environnements industriels ?
- Qu’en est-il des approbations requises pour les environnements industriels ?

L’avenir ?
Bien qu’Ethernet opère aujourd’ hui avec d’autres protocoles sur le terrain de jeu industriel, il pourra bientôt opérer seul. Au fur et à mesure que la problématique concernant le déterminisme et la redondance s’estompe grâce aux améliorations en matière de vitesse et de hardware, Ethernet pourrait opérer de façon ‘indépendante’ dans certaines applications de contrôle industrielles. Quoi qu’il en soi, Ethernet devient une valeur sûre, au grand dam de ceux qui le jalousent. (B.B.)