Un aiguilleur fidèle au poste

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1 Un aiguilleur fidèle au poste Le multiplexeur universel FOX615 d ABB relève les nouveaux défis de la communication industrielle Mathias Kranich, Ramon Baechli, Himanshu Trivedi De nos jours, les grands acteurs de la distribution électrique, du pétrole et du gaz, de l exploitation minière ou du transport ferroviaire ne jurent que par le «temps réel» pour optimiser leurs opérations. Encore faut-il qu ils aient accès à des réseaux de communication ultrarapides et fiables! Certes, ils avaient jusqu à présent la commutation de circuits pour remonter en toute sécurité les données du procédé vers le contrôle-commande et les exploitants, mais le déploiement massif de la commutation de paquets confronte leurs infrastructures réseaux à de nouvelles exigences. ABB y remédie avec le multiplexeur «multiservice» FOX615 qui combine deux technologies, la commutation de circuits SDH (Synchronous Digital Hierarchy 1 ) et le transport de paquets Ethernet, ainsi que des fonctions métier et des communications haut débit jusqu à 10 Gbit/s. ar ses capacités d intégration et sa souplesse, FOX615 se prête à une pléiade de fonctions applicatives qui en font la solution idéale pour les réseaux de transmission industriels. 36 revue ABB 1 13

2 1 Commutation de circuits et transport de paquets Commutation de circuits Transport de paquets Les télécoms grand public (téléphonie mobile et Internet haut débit) et industrielles (réseaux électriques intelligents ou Smart Grids) sont tributaires de transmissions fiables. Dans le passé, les réseaux longue distance des opérateurs historiques et des industriels gérant de grosses infrastructures étendues s appuyaient sur une même technique de commutation de circuits à hiérarchie numérique synchrone SDH ou «plésiochrone» DH (littéralement presque synchrone) pour assurer le niveau de performance nécessaire à ces deux marchés. uis l explosion du trafic numérique, avec le passage des communications purement vocales aux applications multimédia combinant voix, données et vidéo, bouleversa la donne. Contraints de faire transiter le maximum d informations simultanées sur des distances toujours plus longues, les réseaux publics se tournèrent vers la commutation de paquets. Cette technique de transfert, qui fit l immense réussite d Ethernet dans les réseaux locaux, poussa les opérateurs télécoms à adopter les mêmes solutions pour leurs réseaux étendus. Rançon du succès : le transport de paquets en mode «non connecté», c est-à-dire ne nécessitant pas de connexions/déconnexions successives pour établir et libérer la liaison, ne garantit pas la même qualité de service que la commutation SDH. C est pourquoi les exploitants d infrastructures industrielles restèrent fidèles à la hiérarchie synchrone pour répondre aux plus grandes exigences de leurs réseaux stratégiques. Le mode connecté SDH peut affecter à une application des canaux de communication fixes et disponibles pendant toute la durée de la transmission, avec des délais d acheminement courts et garantis (autrement dit «déterministes»), et une faible gigue. Si le transfert de paquets a l inconvénient de mettre les messages en file d attente, source de retard supplémentaire et de gigue, il a par contre l avantage de leur affecter une bande passante variable : l idéal pour le «transactionnel long» entre ordinateurs, équipements terminaux ou postes de télé conduite (Remote Terminal Units) 1. En matière de débit et de fluidité du trafic, la commutation SDH est à la transmission de données ce que les couloirs de bus, bandes d arrêt d urgence et voies réservées sont à la circulation routière. Ethernet, en revanche, utilise toutes les routes possibles, en fonction du trafic, pour faire le meilleur usage des infrastructures mais ne sait pas libérer de voies rapides pour les flux prioritaires. our doter le transport de paquets de certains des avantages de la commutation de circuits, plusieurs extensions des grands protocoles d origine ont été normalisées, sous les noms de I/MLS 2 (Internet ro tocol/ Multirotocol Label Switching), MLS- T 3 (Multirotocol Label Switching Transport rofile) et BB 4 (rovider Backbone Bridging). Reste que la qualité de service du transport de paquets est encore insuffisante, notamment pour la distribution électrique. La prolifération d applications sur Ethernet et les progrès escomptés de la commutation de paquets obligent les industriels à intégrer ces deux techniques de transfert pour répondre aux besoins du temps réel à multiplexage temporel (protection, par exemple) et à commutation de paquets (vidéosurveillance, intranets, etc.). Les équipements réseau doivent aussi combiner ces deux types de trafic : c est chose faite avec le multiplexeur hybride FOX615 d ABB. Les concepteurs ABB ambitionnaient avant tout un multiplexeur capable de répondre aux besoins temps réel des infrastructures industrielles, mais sans hoto ci-contre Baies de brassage FOX615 dans l usine ABB de Baden (Suisse) Notes 1 Architecture basée sur des niveaux successifs de concentration/multiplexage, mise au point par l Américain Bellcore, sous le nom de SONET (Synchronous Optical NETwork). 2 Technique multiprotocole permettant aux routeurs-commutateurs du réseau central de fonctionner à des vitesses plus élevées sans avoir besoin d examiner chaque paquet en détail ; pour cela, une étiquette ou label leur indique où transférer les paquets, sur la base d informations de routage I 5. 3 Standard offrant aux fournisseurs d accès la richesse de service de l I/MLS 2 et la performance, la sécurité et la robustesse des réseaux de transport optiques (extension Transport rofile). 4 rotocole reposant sur des extensions de l Ethernet natif pour le rendre plus fiable, évolutif et déterministe, et l utiliser comme protocole de transport dans les grands réseaux de télécommunications. Un aiguilleur fidèle au poste 37

3 2 Du réseau électrique traditionnel (gauche) au Smart Grid (droite) La distribution électrique passera d une conduite centralisée et unidirectionnelle des transits d énergie, dans le sens production-consommation (gauche), à une gestion maillée et multidirectionnelle, du producteur aux consommateurs et inversement (droite). les contraintes de performance imposées par cette technologie. Il leur fallait pour cela maîtriser les méthodes de conception des réseaux de transmission du futur et identifier tous les défis liés à l application. Artères industrielles haut débit Les réseaux de communication sont le centre névralgique des grandes entreprises industrielles. Quand les opérateurs télécoms briguent avant tout la satisfaction de leurs millions de clients, les industriels visent davantage la fiabilité des transmissions et, partant, de leurs procédés. Contrairement aux réseaux publics, les investissements en infrastructures s inscrivent ici dans la durée (la charge de trafic étant relativement statique) et se distinguent par une disponibilité élevée (99,999 %, par exemple), une faible gigue (pour la protection différentielle dans les réseaux électriques [1]), une tolérance à la poussière (exploitation Les grands réseaux d infrastructures industrielles évoluent doucement, par étapes. minière) et une grande sûreté de fonctionnement (systèmes de commande ferroviaire garantissant la sécurité des voyageurs) [2]. Les cycles d investissement sont également bien plus longs. Les dispositifs de protection et de contrôle-commande des postes électriques qui, en bout de chaîne, sont raccordés aux équipements réseau de l industriel, doivent être particulièrement endurants. Conclusion : les interfaces traditionnelles ont encore de beaux jours devant elles et les postes communiquant essentiellement sur Ethernet/ I ne sont pas pour demain! À rebours des grands chamboulements technologiques des télécoms publiques, c est à pas comptés que les réseaux industriels évoluent. De ce fait, une forte interopérabilité entre installations anciennes et nouvelles est une nécessité absolue. Si les réseaux de communication sont d une importance capitale pour une grande infrastructure industrielle, ils restent néanmoins au second plan de l activité. renons l exemple de l énergéticien : son métier est avant tout d acheminer l électricité aux consommateurs ; aussi crucial soit-il, un bon réseau de communication se contente de soutenir cette fonction. D où le fait que l exploitation soit de plus en plus confiée à une poignée de techniciens généralistes (et non des spécialistes télécoms) ayant en charge une kyrielle de produits et de fonctions métier. Sur ces réseaux, l excellence opérationnelle peut être assurée par la mise en œuvre d outils ergonomiques et intuitifs que fédère et orchestre un puissant système de gestion centralisé. Tout ce qu offrent FOX615 et son logiciel FOXMAN. 38 revue ABB 1 13

4 3 Le multiplexeur FOX615 et ses 21 emplacements pour interfaces utilisateur Le nouveau FOX615 d ABB peut multiplexer jusqu à canaux sur une seule liaison optique. roblématiques du milieu... Les équipements de terrain de ces réseaux industriels doivent endurer des conditions extrêmes (températures, champs électromagnétiques, etc.) qui peuvent s aggraver en cas de courts- ABB voulait un multiplexeur capable de répondre aux besoins temps réel de l industrie, mais sans les contraintes de performance liées à cette technologie. circuits. our conserver le haut niveau de disponibilité qui leur est imposé, a fortiori en situation d urgence, ils doivent faire preuve d une longévité et d une fiabilité exceptionnelles. Si à cela s ajoutent l éloignement, la poussière et l impossibilité de garantir la maintenance périodique de l équipement, on préférera éviter les ventilateurs.... et de la filière La téléprotection est l une des applications les plus contraignantes des télécoms du secteur électrique. En cas de court-circuit sur les lignes, il faut impérativement éliminer le défaut en quelques dizaines de millisecondes. Autrement dit, le délai maximal de propagation du signal, d une extrémité à l autre du système, ne doit pas dépasser 10 ms. Autres exigences : la symétrie des communications (même temps de transmission dans les deux sens), la redondance du routage avec basculement en bidirectionnel et faible gigue [3]. Une application au ralenti ou au point mort peut entraîner des arrêts d exploitation et des pertes finan cières considérables. C est pourquoi les applications de protection sont parmi les plus importantes du réseau électrique et exigent des systèmes de transmission temps réel à très haute disponibilité. Des performances qui échappent à la commutation de paquets Ethernet. La téléconduite des réseaux électriques a également ses exigences. La performance des transmissions dépend en effet de la capacité de l exploitant à accéder à des données temps réel très précises sur l état du réseau. Sa disponibilité, essentielle pour fiabiliser les opérations, va de pair avec des mécanismes complexes de redondance régis par plusieurs protocoles, également redondants, à différents niveaux de l architecture. Les réseaux d énergie étant de grosses infrastructures construites sur de nombreuses années, les exigences de communication seront très différentes d un poste de transformation à l autre, en fonction des dispositifs utilisés à chaque étape de la réalisation. Nouveaux enjeux Le secteur électrique est en pleine mutation sous l impulsion des Smart Grids et des technologies de l information et de la communication. roduction d origine renouvelable, amélioration du transport électrique, automatisation de la distribu- Un aiguilleur fidèle au poste 39

5 4 Multiplexeur universel FOX615 Matrice de commutation Ethernet (64 Gbit/s) GbE/10 GbE Services Ethernet/I Interfonctionnement Commutation TDM (128 x 2 Mbit/s) TDM E1 STM-16 Services TDM traditionnels FOX615 mixe le multiplexage temporel TDM (Time Division Multiplexing) à hiérarchie numérique synchrone/plésiochrone (2 Mbit/s à 2,488 Gbit/s) et la commutation Gigabit Ethernet (1 à 10 Gbit/s). La fonction de multiplexage intégrée «accès et transport» réduit notablement les coûts d exploitation et l encombrement. tion, etc., ces évolutions se mettent en place pour maîtriser la demande et respecter les réglementations environnementales. Devenus multidirectionnels 2, les flux d énergie nécessitent des transmissions temps réel fiables pour préserver la stabilité du réseau. Au-delà de la complexité technique, le renforcement de la concurrence et l ouverture des marchés ont accentué la pression sur les coûts. Les dépenses d équipements (CAEX) peuvent être optimisées et les investissements protégés par un réseau de communication multiservice et évolutif, couvrant toutes les exigences de l activité. Les dépenses opérationnelles (OEX) peuvent être abaissées en utilisant moins de matériels pour alléger l exploitation et la maintenance. Lignée d excellence Voilà plus de trente ans qu ABB a lancé son premier multiplexeur à fibres optiques «FOX6», simple nœud de multiplexage temporel à 6 canaux. FOX615, dernier-né de la gamme, est aujourd hui une puissante plate-forme de communication capable d acheminer les signaux de canaux sur une seule liaison optique, soit une progression annuelle de la bande passante de 33 %, en trois décennies. FOX615 est la symbiose parfaite du multiplexage temporel classique (DH/SDH) et des communications évoluées Ethernet/I (Internet rotocol 5 ) pour répondre à toutes les exigences des grandes infrastructures industrielles. Il s intègre facilement à l architecture DH/SDH existante, garantissant une migration par étapes et un investissement pérenne 3. Contrairement à beaucoup d autres solutions, FOX615 mise sur la complémentarité DH/SDH et Ethernet/I, idéale pour le temps réel et la commu tation de paquets. Cette double inté gration permet de bâtir un réseau SDH offrant toutes les garanties de performance sans avoir à changer d équipements de transmission, puis de migrer vers la commutation de paquets, quand la qualité de service est au rendez-vous. FOX615 intègre un puissant moteur de commutation pour le transport de paquets, de même qu un brasseur à deux étages pour le multiplexage temporel DH/SDH 4. Note 5 Standard de raccordement à un réseau pour tous les systèmes distribués provenant de l informatique. 40 revue ABB 1 13

6 5 FOX615 sur dorsale SDH Réseau SDH 2 Mbit/s 2 fils Ethernet RS 232 IEEE C37.94 Ethernet Les différentes interfaces de l application (RS 232, IEEE C37.94, Ethernet, bifilaire) se raccordent au réseau dorsal SDH par le nœud FOX615 multiservice. Le multiplexeur FOX615 s intègre facilement à l architecture DH/SDH existante, garantissant une migration progressive et un investissement pérenne. En outre, la fonction de multiplexage intégrée «accès et transport» réduit notablement les coûts d exploitation, l encombrement et le câblage puisqu il ne faut installer et entretenir qu une seule plate-forme 5. Cette intégration simplifie aussi l administration du réseau : toutes les alarmes remontent directement vers un seul gestionnaire, facilitant la détection des défauts et la réactivité du système. FOX615 est un multiplexeur aguerri à la pollution électromagnétique et aux températures extrêmes ( 25 C à + 60 C) de l industrie. Des valeurs très élevées de MTBF (moyenne des temps de bon fonctionnement) et des mécanismes de redondance totale garantissent la disponibilité du système. Une version sans ventilateur affranchit l appareil des besoins de maintenance. Va-tout électrique Multiservice, FOX615 autorise le raccordement direct de tous les îlots applicatifs de la filière électrique (relais de protection de distance et différentielle, par exemple), sans passer par des convertisseurs externes. our cela, il est doté d une interface spécifiquement adaptée aux signaux de commande de protection, avec notamment des fonctions de supervision de canaux, d enregistrement d événements ou de commutation de protection rapide. Une interface IEEE C37.94 assure la connexion optique avec le relais de protection et l interconnexion «tout optique» entre relais, réduisant le nombre de fibres et améliorant la disponibilité par un routage redondant des canaux. FOX615 permet de réaliser des réseaux multiservices avec fonctions de protection intégrées. FOX615 constitue un nœud de communication pour un grand nombre de réseaux étendus et d applications, dont la téléprotection, qu il relie à la dorsale SDH. Sa robustesse et sa gestion améliorée sont gages de longévité et de facilité de maintenance. Grâce au multiplexeur FOX615, les infrastructures industrielles ne sont pas pressées de migrer vers de nouvelles technologies qui n ont pas encore fait leurs preuves. Elles peuvent évoluer à leur rythme, en modernisant progressivement le parc FOX615. ABB étudie constamment l adéquation des nouveaux standards et technologies de communication aux besoins des entreprises de l énergie, du transport, etc. Dans cette optique, de nouvelles versions de multiplexeur sont déjà prévues pour améliorer sa qualité de service sur les grands réseaux industriels à commutation de paquets. Mathias Kranich Ramon Baechli ABB ower Systems Baden (Suisse) mathias.kranich@ch.abb.com ramon.baechli@ch.abb.com Himanshu Trivedi ABB Management Services Ltd. Zurich (Suisse) himanshu.trivedi@ch.abb.com Bibliographie [1] Spiess, H., Comino, R., Kranich, M., «Transmission of mission-critical information for power utility s operational needs», Juko-CIGRE, Becici, Monténégro, [2] Lloret, J., Javier Sanchez, F., Coll, H., Boronat, F., «Can Critical Real-Time Services of ublic Infrastructures Run over Ethernet and MLS Networks?», NETWORKING 2008, 7 th International IFI-TC6 Networking Conference, Singapour, mai [3] rotection using Telecommunications, Groupe de travail Cigré JWG 34/35.11, tableaux et 6.1-2, Un aiguilleur fidèle au poste 41