3 problèmes à résoudre avant que les usines puissent bénéficier de l’intégration 5G-TSN
La production intelligente bat son plein, prête à atteindre une masse critique, mais les usines industrielles ont du travail à faire pour se préparer à cette transformation.
Selon Deloitte, 86 % des fabricants estiment que les initiatives de fabrication intelligente stimuleront la compétitivité de l’industrie au cours des cinq prochaines années ; 83 % pensent que ces initiatives vont changer la façon dont les produits sont fabriqués.
Dans le même temps, cependant, seulement 5 % des fabricants ont une usine de fabrication intelligente complète en activité, et seulement 30 % ont des initiatives d’usine intelligente en cours.
L’intégration 5G-TSN : essentielle sur la voie de la fabrication intelligente
Dans un blog récent, nous avons expliqué le potentiel de la 5G pour apporter les capacités en temps réel de TSN (time-sensitive networking) aux réseaux sans fil pour prendre en charge la communication industrielle.
TSN introduit des mécanismes de qualité de service, de fiabilité et de configuration, permettant à différents types de trafic de données de partager le même réseau tout en assurant un débit fiable dans un laps de temps spécifique.
L’unification de la 5G et du TSN pourrait créer de nouvelles opportunités pour des environnements industriels entièrement connectés et plus productifs, en permettant une visibilité sur les opérations de l’usine et en identifiant les opportunités d’amélioration afin que les gestionnaires et les employés puissent travailler plus intelligemment et prendre de meilleures décisions.
Bien que la 5G possède les capacités requises pour fonctionner avec TSN et que l’organisme de normalisation 3GPP ait fait des progrès substantiels vers l’intégration des systèmes 5G avec TSN, certains obstacles subsistent.
L’industrie doit relever trois défis majeurs avant que l’automatisation industrielle puisse bénéficier de l’intégration de la 5G-TSN. Examinons de plus près.
1. Communication de données entre les couches OSI
La communication industrielle fonctionne via des protocoles Ethernet au sein de la couche 2 du modèle OSI. Pendant ce temps, la communication IP se trouve dans la couche 3.
Pour les réseaux industriels, les deux types d’adressage ont la même importance. En règle générale, les protocoles industriels utilisent l’adressage de couche 2 pour la communication entre les automates et les capteurs ou actionneurs. Les applications SCADA et de surveillance utilisent l’adressage de couche 3.
Pour permettre le transfert des communications de couche 2 et de couche 3 via un réseau 5G, 3GPP a développé deux types d’unités de données de protocole (PDU) et de fonctions de plan utilisateur (UPF) : Ethernet et IP. Simplifié, l’équipement utilisateur décide, en fonction des en-têtes du paquet, si le système 5G doit gérer le paquet comme un commutateur (pour Ethernet) ou comme un routeur (pour la communication IP).
Mais les systèmes centraux 5G industriels d’aujourd’hui ne prennent pas en charge cette différenciation dans la communication. Ils ne prennent en charge que la communication IP. Prenons l’exemple d’un commutateur traditionnel. Cet appareil « apprend » où se trouvent les adresses de couche 2. Lorsque le commutateur reçoit des paquets de données, il sait où les placer. Le système 5G se comporte comme un routeur. Lorsqu’il reçoit une communication de couche 2, il jette essentiellement l’information de côté au lieu de la transmettre comme il se doit. Il ne sait pas quoi faire avec la communication de couche 2. La 5G ne peut actuellement pas prendre en charge la communication de données entre les couches.
2. Manque de synchronisation
Pour automatiser les flux de travail, garantir la qualité et prévenir les pannes d’équipement, les réseaux industriels ou les segments de réseau nécessitent une synchronisation pour prendre en charge des boucles de contrôle de fonctionnement réussies. Par exemple, une boucle de contrôle permet à un automate de contrôler un bras robotique sans fil, ou à plusieurs capteurs de transmettre leurs données au cloud, la synchronisation permettant une séquence cohérente d’événements.
Les protocoles de temps, tels que le PTP (precision time protocol), sont nécessaires pour gérer une boucle de contrôle ou une séquence d’événements. Mais ni IEEE 1588 (PTP) ni IEEE 802.1AS ne sont actuellement pris en charge sur la 5G.
Pour intégrer les systèmes 5G dans les applications d’automatisation industrielle, 3GPP offre des possibilités de mise en œuvre de la synchronisation (par exemple, via des messages SIB9). Bien qu’elles soient définies dans les normes, ces caractéristiques ne se sont pas encore répercutées dans les produits destinés aux réseaux industriels.
3. Capacités de qualité de service
Dans un réseau local Ethernet traditionnel, toutes les données provenant des périphériques sont traitées de la même manière. Mais dans les réseaux industriels et de contrôle, la QoS est nécessaire pour contrôler et gérer le trafic, garantir le bon fonctionnement des applications stratégiques et réduire les interférences telles que la latence, la perte de paquets et la gigue. Cette différenciation des types de trafic garantit le service et la livraison des données.
Étant donné que les fonctionnalités définies par le 3GPP pour permettre la QoS ne sont pas encore disponibles dans les systèmes centraux 5G pour les réseaux industriels, tout le trafic provenant d’un appareil final est traité avec la même priorité. Ce manque de QoS lors de la transmission de données 5G crée des problèmes de performances qui peuvent avoir des conséquences telles que le délai d’attente de l’application.
Les solutions 5G-TSN sont en route
Belden travaille au développement d’une architecture qui aidera les environnements industriels à faire les premiers pas vers l’intégration 5G-TSN afin que, le moment venu, ils soient prêts à tirer parti des opportunités qu’elle offre de manière rentable.
Nos solutions aideront les usines de fabrication à construire l’avenir en intégrant la 5G et le TSN pour une intégration filaire et sans fil transparente.
Dans les prochains blogs, nous en dirons plus sur ces solutions et sur la manière dont elles aident les environnements industriels à se préparer aux prochaines étapes de la transformation numérique.
Ressources connexes :
À propos de l'auteur
Lukas Bechtel travaille chez Belden depuis 2012, passant d’ingénieur en automatisation des tests à architecte technologique dans notre bureau de direction technique. Il est également membre du corps professoral et chercheur à l’Université d’Esslingen, où il enseigne aux étudiants l’informatique, la sécurité des réseaux et les réseaux industriels, tout en étudiant des domaines tels que l’industrie 4.0, la communication sans fil et la communication et la sécurité industrielles.