La redondance de maîtres EtherCAT : une spécificité unique de la solution KPA Master EtherCAT
La fiabilité et la sûreté de fonctionnement sont des exigences vitales pour tout système d'automatisation industrielle. Lorsque survient un temps d'arrêt inopiné, le responsable de la production subit souvent des pertes considérables. Il veut donc s'assurer que son système de production est correctement protégé contre diverses pannes matérielles et logicielles.
La technologie EtherCAT est l'une des interfaces de communication les plus avancées et les plus performantes au niveau des réseaux industriels. Outre une grande flexibilité et un débit élevé, elle offre certaines fonctionnalités basiques pour la tolérance aux pannes afin de résister aux différents défauts matériels. La plus puissante de ces fonctionnalités est la redondance des câbles (cable redundancy), qui utilise la topologie en anneau physique pour préserver le fonctionnement stable du bus lorsque l'anneau est réellement rompu.
Membre actif du groupe de technologies EtherCAT, la société koenig-pa GmbH est l’un des experts reconnu d’EtherCAT. Soucieux de renforcer la sécurité des systèmes, ses ingénieurs s ont inventé le moyen de protéger le réseau industriel du problème le plus grave : le dysfonctionnement du nœud de contrôle, un système maître contrôlant le fonctionnement du réseau EtherCAT. Notre technologie brevetée, appelée Master Redundancy, permet de récupérer de manière transparente des défaillances du système de contrôle et de rester opérationnel même dans un environnement synchronisé.
Comment assurer la continuité de service d’un bus lorsque le maitre est défaillant ?
Rappelons les principes de base du fonctionnement EtherCAT, car il est important de comprendre le concept qui sous-tend la fonctionnalité de redondance principale de KPA EtherCAT Master.
Contrairement à d'autres interfaces industrielles basées sur Ethernet, EtherCAT utilise un protocole de communication saut par saut : un télégramme de données est commun à tous les équipements esclaves connectés au bus et passe d'un appareil à l'autre. Le maître est un agent qui crée de manière cyclique un télégramme, le remplit de requêtes de lecture ou d'écriture, émet des données (ou des emplacements pour les données d'entrée) et l'envoie au bus dans des intervalles de temps stricts et prédéterminés. Chaque appareil esclave peut insérer (écrire) ou extraire (lire) le bloc de données qui lui est explicitement adressé.
Bien qu’elle vise initialement à utiliser efficacement le débit du bus, cette fonctionnalité est extrêmement utile pour la tolérance aux pannes : tout appareil connecté au bus est parfaitement au courant de l’activité de tous les esclaves et peut acquérir, ou sniffer, de manière transparente les données transférées entre le maître du bus et les esclaves. Vous n'avez pas besoin de modifier les périphériques esclaves, d'ajouter des signaux supplémentaires ou de modifier le protocole de transfert : cette fonctionnalité est incluse de base, en complément d'une gestion « intelligente » par le maître bien entendu.
KPA EtherCAT Master utilise cette fonctionnalité secondaire pour introduire un ou plusieurs autres maîtres sur le bus. En fonctionnement normal, ce maître redondant est passif, il est capable de renifler les données sans être intrusif. Le maître passif est considéré comme secondaire, tandis que le maître actif est primaire. Comme tous les maîtres secondaires sont compatibles avec l’activité du bus, ils sont prêts à remplacer le principal à tout moment en cas de défaillance de ce dernier.
La technologie EtherCAT est l'une des interfaces de communication les plus avancées et les plus performantes au niveau des réseaux industriels. Outre une grande flexibilité et un débit élevé, elle offre certaines fonctionnalités basiques pour la tolérance aux pannes afin de résister aux différents défauts matériels. La plus puissante de ces fonctionnalités est la redondance des câbles (cable redundancy), qui utilise la topologie en anneau physique pour préserver le fonctionnement stable du bus lorsque l'anneau est réellement rompu.
Membre actif du groupe de technologies EtherCAT, la société koenig-pa GmbH est l’un des experts reconnu d’EtherCAT. Soucieux de renforcer la sécurité des systèmes, ses ingénieurs s ont inventé le moyen de protéger le réseau industriel du problème le plus grave : le dysfonctionnement du nœud de contrôle, un système maître contrôlant le fonctionnement du réseau EtherCAT. Notre technologie brevetée, appelée Master Redundancy, permet de récupérer de manière transparente des défaillances du système de contrôle et de rester opérationnel même dans un environnement synchronisé.
Comment assurer la continuité de service d’un bus lorsque le maitre est défaillant ?
Rappelons les principes de base du fonctionnement EtherCAT, car il est important de comprendre le concept qui sous-tend la fonctionnalité de redondance principale de KPA EtherCAT Master.
Contrairement à d'autres interfaces industrielles basées sur Ethernet, EtherCAT utilise un protocole de communication saut par saut : un télégramme de données est commun à tous les équipements esclaves connectés au bus et passe d'un appareil à l'autre. Le maître est un agent qui crée de manière cyclique un télégramme, le remplit de requêtes de lecture ou d'écriture, émet des données (ou des emplacements pour les données d'entrée) et l'envoie au bus dans des intervalles de temps stricts et prédéterminés. Chaque appareil esclave peut insérer (écrire) ou extraire (lire) le bloc de données qui lui est explicitement adressé.
Bien qu’elle vise initialement à utiliser efficacement le débit du bus, cette fonctionnalité est extrêmement utile pour la tolérance aux pannes : tout appareil connecté au bus est parfaitement au courant de l’activité de tous les esclaves et peut acquérir, ou sniffer, de manière transparente les données transférées entre le maître du bus et les esclaves. Vous n'avez pas besoin de modifier les périphériques esclaves, d'ajouter des signaux supplémentaires ou de modifier le protocole de transfert : cette fonctionnalité est incluse de base, en complément d'une gestion « intelligente » par le maître bien entendu.
KPA EtherCAT Master utilise cette fonctionnalité secondaire pour introduire un ou plusieurs autres maîtres sur le bus. En fonctionnement normal, ce maître redondant est passif, il est capable de renifler les données sans être intrusif. Le maître passif est considéré comme secondaire, tandis que le maître actif est primaire. Comme tous les maîtres secondaires sont compatibles avec l’activité du bus, ils sont prêts à remplacer le principal à tout moment en cas de défaillance de ce dernier.
Plus important encore, pour détecter la situation anormale sur le bus, un maître secondaire n’a pas besoin de dispositif de contrôle dédié, ni de lignes de signaux supplémentaires. Les télégrammes EtherCAT sont transmis à intervalles réguliers et stricts. Lorsqu'un maître passif secondaire ne reçoit pas le télégramme qu'il attend, il sait avec certitude que le bus n'a plus de maître. Il n'est pas nécessaire d'attendre la fin du cycle en cours - le maître redondant peut prendre le contrôle immédiatement, en affichant son propre télégramme. Et ce télégramme sera correct et significatif, car le maître secondaire suivait tous les changements, constituant un véritable clone de son équivalent défaillant.
Comment fonctionne la redondance maître ?
La configuration EtherCAT avec la redondance maître activée comprend un appareil maître actif (principal) et un ou plusieurs maîtres passifs (secondaires). Le maître principal peut ne pas être configuré pour la redondance principale, mais il est préférable d'utiliser le logiciel KPA EtherCAT Master pour exploiter tous les avantages de cette technologie.
Le maître secondaire est connecté au bus en tant qu'agent fantôme. Il détecte les télégrammes de données au fur et à mesure qu'ils passent sans aucun changement. Simultanément, ce maître calcule l'heure d'arrivée de chaque télégramme et suit les retards éventuels entre l'heure d'arrivée prévue et l'heure réelle.
Lorsque le télégramme est retardé, une minuterie de surveillance commence. Une fois que le temps spécifié dans les paramètres du maître est écoulé, le maître commence son protocole de basculement :
1-Le commutateur interne du maître est déclenché : le maître est maintenant capable d'écrire sur le bus.
2-Un nouveau télégramme préparé par le maître secondaire est écrit sur le bus.
3-Dans ce télégramme, une demande de libération du bus est envoyée au maître actif, car il est peut-être toujours connecté mais souffre de problèmes internes. Nous ne voulons certainement pas d’une situation où le maître précédemment actif décide de contrôler le bus après la récupération.
4-L'application de contrôle du nouveau maître de bus est avertie de la mise en ligne.
Il est possible de ramener le maître actif dans son état passif avec l'outil de configuration de bus ; un autre maître passif prendra le contrôle automatiquement.
Pour activer plusieurs maîtres redondants, leurs horloges de surveillance sont configurées différemment. Il est possible de forcer la génération aléatoire du temps de surveillance pour chaque maître. Ainsi, nous évitons la situation de collision lorsque deux ou plusieurs maîtres secondaires peuvent tenter de démarrer le protocole de basculement.
En résumé
La fonctionnalité que nous proposons peut protéger le réseau de communication industriel contre une défaillance grave et difficile à récupérer de son nœud de contrôle. Il utilise les particularités architecturales de la technologie EtherCAT pour mettre en œuvre une solution économique qui augmente considérablement la tolérance aux pannes sans compromettre sa flexibilité et ses performances. Presque tous les systèmes d'automatisation industrielle compatibles EtherCAT peuvent être mis à niveau avec cette fonctionnalité : vous devez connecter au bus un ou plusieurs clones de votre contrôleur maître EtherCAT avec seulement de légères modifications, voire aucune, de sa logique.
Si vous n'utilisez pas KPA EtherCAT Master pour la communication EtherCAT, nos ingénieurs vous aideront à l'intégrer à votre système de contrôle. Notre pile logicielle est compatible avec pratiquement tout système d'exploitation temps réel ou généraliste, et peut être compilée pour différents processeurs, microcontrôleurs et FPGA.
Les solutions ISIT :
Pour vous aider à monter en compétences sur cette technologie et l’appliquer à vos besoins propres, ISIT vous propose une offre complète incluant produits et services :
- Conseils en avant-projet
- Prestations : Spécifications, Mise en œuvre, Réalisation
- Produits matériels : Passerelles, Interfaces, PC durcis, Modules embarqués
- Produits logiciels : Piles maître et esclave, Outils d’analyse et de diagnostic
ISIT, membre actif de l’ETG, a noué un partenariat avec un spécialiste de la technologie EtherCAT, la société Koenig-pa GmbH, éditrice de la solution KPA.
Des produits comme KPA EtherCAT Master, KPA EtherCAT Motion et KPA EtherCAT Studio sont disponibles :
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