De nos jours, de plus en plus d’intégrateurs de systèmes profitent des avantages de la communication sans fil et intègrent l’infrastructure WLAN dans la conception de leur système. Cet article vise à communiquer les exigences de protocole et les considérations de déploiement pour intégrer l’un des protocoles de communication industriels les plus populaires, Profinet, dans votre infrastructure WLAN. Plus précisément, cet article vous donnera un aperçu des exigences de base du protocole Profinet et des variables de configuration nécessaires pour obtenir une marge de performance acceptable dans un environnement sans fil.

 

Deux défis majeurs doivent être relevés lors de la création d’une application PROFINET stable sur une infrastructure WLAN : La solution WLAN sélectionnée doit prendre en charge le transfert de couche 2 ou (Layer 2 Forwarding) dans différentes configurations, et la latence et la gigue du réseau sans fil doivent être minimisées pour répondre aux exigences de l’application Profinet.

Le protocole Profinet en bref

Profinet est un protocole de communication industriel développé par PROFIBUS and PROFINET International (PI) et conçu pour la communication de contrôle d’automatisation via une infrastructure Ethernet. Ses fonctions efficaces et sa capacité à fonctionner dans l’infrastructure Ethernet existante en font une solution flexible et évolutive pour de nombreuses applications de contrôle d’automatisation.

Aujourd’hui le protocole Profinet est devenu l’un des protocoles les plus utilisés dans les systèmes d’automatisation industrielle et les réseaux de contrôle de processus.

Selon l’organisation PROFIBUS and PROFINET International (PI), le nombre d’appareils Profinet utilisés sur le marché a augmenté au-dessus de la moyenne ces dernières années : 32,4 millions d’appareils ont été installés à la fin de l’année 2019, et le nombre continue d’augmenter. La figure ci-dessous illustre la courbe de croissance des appareils PROFINET ces dernières années

Source : PROFINET – the leading Industrial Ethernet Standard – PROFIBUS and PROFINET International (PI)

Les appareils Profinet peuvent nécessiter des vitesses de communication différentes selon le type de processus d’automatisation. Le protocole Profinet prend en charge trois classes de communication, chacune avec un degré différent de sensibilité temporelle. Il s’agit de la communication en temps non réel (NRT), en temps réel (RT) et en temps réel isochrone (IRT).

  • La communication en temps non réel (NRT) , parfois appelé communication TCP/IP, est un trafic acyclique tel que des données sensorielles, de diagnostic ou de maintenance transférées à la vitesse maximale.
  • La communication en temps non réel (RT) est un trafic cyclique constitué de données de processus hautes performances transmises via une infrastructure réseau standard.
  • La communication en temps réel isochrone (IRT) est le type de trafic déterministe le plus performant de la norme Profinet. Cependant, cela nécessite une réservation de bande passante basée sur le matériel et une synchronisation d’horloge à l’échelle du réseau pour fonctionner.

Les classes de communication Profinet en temps réel (RT) et en temps réel isochrone (IRT) impliquent un échange de données cyclique sur le réseau Ethernet standard et ont lieu directement sur la couche 2 sans surcharger le protocole TCP/IP pour minimiser la latence, comme illustré sur figure ci-dessous

Cela signifie que dans un environnement RT/IRT Profinet, les trames de données sont transmises en fonction de l’adresse MAC des appareils. Par conséquent, il est essentiel que toute infrastructure réseau sous-jacente déployée pour prendre en charge les applications RT ou IRT Profinet soit totalement transparente à la couche 2 pour tous les appareils Profinet connectés.

pile de protocoles PROFINET

Considérations relatives à l’infrastructure WLAN

La communication Profinet (PN) peut également être réalisée via une connexion sans fil IEEE 802.11 standard. Alors que certains appareils Profinet IO (PNIO) ont des capacités client sans fil intégrées, la majorité des PNIO ne prennent en charge que les interfaces Ethernet. Dans ces cas, les intégrateurs de systèmes devront connecter le PNIO à un périphérique sans fil en mode client qui agit comme un adaptateur sans fil pour communiquer avec le contrôleur PN.

Même si la technologie sans fil s’est améliorée au fil du temps à chaque nouvelle itération de la norme IEEE 802.11, il est important de noter que la conception d’un réseau sans fil est intrinsèquement plus complexe par rapport à une infrastructure entièrement câblée.

Afin de concevoir et déployer les bonnes solutions sans fil pour prendre en charge la communication Profinet, plusieurs aspects doivent être pris en compte. Il s’agit notamment des limitations de transparence au niveau de la couche 2, de la latence plus élevée et de la gestion des radiofréquences (RF) pour configurer l’environnement sans fil et atteindre des performances optimales.

Le tableau ci-dessous décrit les considérations et les défis que les intégrateurs doivent prendre en compte lors de la conception de réseaux WLAN pour les applications basées sur Profinet.

Points à considérer Filaire (IEEE 802.3) Sans fil (IEEE 802.11) Remarques
Transparence de la transmission de couche 2 Supporté nativement Limitée La transparence de la couche 2 sans fil se termine à l’interface Wifi standard du client.
Latence et gigue Faible Élevée Le spectre RF est un support sensible aux interférences dues à des facteurs environnementaux. La mobilité et l’itinérance des appareils entraîneront également une latence et une gigue supplémentaires.
Efforts de déploiement Placement des câbles Environnement RF L’exercice des meilleures pratiques RF est essentiel pour optimiser les performances et la disponibilité du réseau. Les activités comprennent des études de site, des vérifications de la couverture RF et la planification de la fréquence des canaux.

Défis de l’infrastructure WLAN

Au fur et à mesure que les solutions sans fil gagnent en popularité, elles deviennent progressivement une partie intégrante de l’infrastructure de réseau industriel. Cette section couvre les défis qui peuvent survenir en fonction des considérations décrites dans la section précédente lors de la mise en œuvre des infrastructures WLAN.

Le tableau ci-dessous vous donnera un aperçu de chaque type d’architecture sans fil et de ses exigences de référence.

Architecture WLAN Layer 2 Transparency Wifi Client Gestion de la latence, de la gigue et  RF
Lien sans fil Lien câblé Itinérance transparente Meilleures pratiques de déploiement RF
Point d’accès client ≥ 1 1 Oui Oui Oui
Pont Wifi ≥ 1 ≥ 1 Oui Oui Oui

Lors de l’utilisation de solutions WLAN standard dans des environnements industriels, les intégrateurs peuvent rencontrer des complications concernant les exigences fonctionnelles. Dans les sections suivantes, nous explorerons ces défis spécifiques plus en détail.

Configuration du point d’accès client

Dans les configurations Points d’accès clients P2P (Point to point) ou P2MP (Point to multipoint), lorsqu’un dispositif Profinet IO est connecté à un point d’accès client via un câble, la transparence de la couche 2 se termine au niveau de l’interface sans fil du périphérique client.

Transparence de la couche 2 dans une configuration des points d'accès client

Défi 1 :

Étant donné que la communication entre le contrôleur Profinet et le Profinet IO se produit sur la couche de données, la limite de transparence de la transmission au niveau de la couche 2 doit s’étendre au-delà de l’interface Ethernet du client sans fil, tout en maintenant la compatibilité avec les connexions des points d’accès client pour permettre à d’autres périphériques Wifi de se connecter aux points d’accès.

Configuration du pont Wifi

Un exemple de connexion de pont Wifi typique est le système de distribution sans fil (Wireless Distribution System : WDS), qui, de par sa spécification technique, est une liaison sans fil transparente de couche 2 reliant deux points d’accès. Une configuration de pont Wifi de couche 2 est préférable dans les cas où plusieurs périphériques Profinet IO doivent être connectés à un périphérique sans fil.

Cependant, les solutions WDS commerciales sont incapables de répondre aux besoins d’applications industrielles plus complexes. WDS est configuré de manière statique et n’est pas conçu pour prendre en charge l’itinérance de Pont Wifi pour accueillir des périphériques mobiles tels que les AVG. En outre, WDS ne prend pas en charge la fonctionnalité de Pont Wifi / Point d’accès hybride par défaut pour servir les clients Wifi standard tels que les ordinateurs portables et les tablettes utilisés par les ingénieurs sur les sites.

Dans le cas où plusieurs ponts sans fil sont nécessaires, les concepteurs de système peuvent configurer des liaisons supplémentaires de pont en mode WDS pour créer une configuration P2MP. Cependant, chaque lien de pont sans fil doit être configuré manuellement. Cela rend le déploiement d’une infrastructure sans fil P2MP très gourmand en temps et en ressources et plus vulnérable aux problèmes de réseau dus à des conflits de configuration.

Défi 2 :

les solutions sans fil commerciales ont des limitations qui les empêchent de répondre aux exigences fonctionnelles des applications Profinet sans fil industrielles.

Les Ponts Wifi doivent prendre en charge les topologies de pont multipoint, la mobilité de pont et être capables d’agir comme un pont Wifi / point d’accès hybride pour connecter des clients Wifi standard supplémentaires.

Gestion de la latence, de la gigue et des RF

La connectivité sans fil se produit par le biais d’ondes électromagnétiques envoyées dans une bande ISM. Cette caractéristique physique de communication sur un support partagé est intrinsèquement sensible aux interférences de divers dispositifs fonctionnant dans des canaux se chevauchant dans ce spectre.

En conséquence, les composants de l’infrastructure WLAN sont plus susceptibles de souffrir de latence ou de gigue. La quantité de latence supplémentaire par rapport à un réseau purement câblé dépend du type de technologie WLAN, des performances de l’antenne et de l’utilisation des canaux dans l’environnement réseau.

En effet, l’utilisation d’un ensemble de bonnes pratiques lors de l’évaluation et de la configuration de l’environnement RF et de la couverture sans fil est essentielle pour obtenir des performances optimales et établir les bases d’une infrastructure WLAN plus déterministe.

Vous trouverez ci-dessous plusieurs bonnes pratiques RF importantes pour référence.

Spectre sans fil :

  • Sélectionnez les bandes radio les plus appropriées pour votre application en tenant compte de l’environnement réseau et de la pénétration du signal.
  1.      – Réservez la bande de fréquences 5 GHz pour les communications critiques, car cette bande a plus de canaux  disponibles et est généralement moins encombrée que la bande 2,4 GHz.
  2.     – Utilisez la fréquence 2,4 GHz pour une pénétration de signal plus éloignée.
  • Évitez de configurer la sélection dynamique de fréquence (DFS) des canaux sur la bande 5 GHz (canaux 52 à 140) pour les communications critiques afin d’éviter les interférences des signaux radar
  • Effectuez une analyse du spectre RF sur le site pour identifier et attribuer des appareils pour différentes applications à des canaux libres et sans chevauchement.

Couverture sans fil :

  • Maintenez une ligne de vue dégagée lors de l’installation d’antennes pour éviter la dégradation du signal causée par des objets physiques à proximité.
  • Sélectionnez des antennes adaptées à l’environnement pour assurer un bon rapport signal /bruit (SNR)

Défi 3 :

L’optimisation de l’environnement RF est un processus compliqué qui repose en grande partie sur un personnel hautement expérimenté. En effet, les intégrateurs doivent chercher à fournir une solution accessible et facile à utiliser pour le personnel sur site ayant une connaissance limitée de l’infrastructure WLAN pour effectuer une couverture sans fil, étudier le site et pour identifier et configurer les canaux RF optimaux pendant l’installation et la maintenance.

Un autre avantage majeur de l’utilisation des réseaux sans fil dans les applications mobiles est la possibilité de se déplacer sur différents BSSID du réseau pour les clients sans fil

L’itinérance implique qu’un périphérique client se déconnecte d’un point d’accès lorsqu’il se déplace hors de portée et établit dynamiquement une nouvelle connexion avec un BSSID  en fonction de la qualité de signal à proximité. Cependant, ce processus génère inévitablement une latence de communication supplémentaire car les clients font constamment la transition entre les points d’accès. Les applications industrielles ne peuvent tolérer qu’une très faible marge de latence pour garantir une transmission de données fluide et ininterrompue. Par conséquent, les fabricants de solutions WLAN doivent optimiser leurs produits pour atténuer la latence supplémentaire générée par le processus d’itinérance.

Défi 4 :

Les applications mobiles sans fil telles que les processus d’automatisation et de contrôle reposent sur des réseaux stables et hautement réactifs. Atteindre des temps de transfert d’itinérance sans fil de l’ordre de la milliseconde devient donc une nécessité pour minimiser la latence et éviter tout impact sur les opérations.

Conclusion

Qu’ils utilisent une architecture Point d’accès client ou Pont Wifi, les concepteurs de systèmes Profinet utilisent généralement l’infrastructure WLAN pour les avantages d’un déploiement rapide et de la mobilité des appareils. Par conséquent, les solutions sans fil candidates devraient également prendre en charge une itinérance transparente pour garantir que les périphériques Profinet IO mobiles puissent facilement se déplacer entre les points d’accès sans interrompre la connexion.

 

Passerelles Profinet