api et pc - solutions concurrentes ou complmentaires

8/2/2019 API Et PC - Solutions Concurrentes Ou Complmentaires

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DEMAIN DANS L'INDUSTRIE

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.6 - 1998 Techniques de lIngnieur, trait Mesures et Contrle R 8 022 1

API et PC : solutions concurrentesou complmentaires ?Des industriels du Groupe Schneider ont dvelopp des solutions asso-ciant un API et un PC dans un systme de commande pour le contrleautomatique de procds industriels.

Sur le march du contrle automatis de

procds industriels les motivations cono-miques se traduisent par une recherche desolutions plus intgres mais apportant plusdouverture et plus de modularit.

La rduction des cots concerne le cycle devie des machines et/ou des installations sim-ples ou trs complexes : depuis lachat, lins-allation, le cblage, la mise en uvre,exploitation et jusqu la maintenance des

quipements.

Les rcentes volutions technologiques enmatires de microprocesseurs, de systmesdexploitation multitches, dentres/sortiesndustrielles distribues sur les bus de ter-

rain, tendent rapprocher fortement lauto-mate programmable industriel (API) et le

micro-ordinateur (PC) (Personal Computerune marque dpose de International Busi-ness Machines Corp.).

Or, de plus en plus de systmes de com-mande voient la prsence simultane dunAPI et dun PC.

LAPI assure le contrle de la partie opra-ive.

Le PC supporte le dialogue homme/machine et/ou le stockage de donnes et/oue traitement dinformations pour le suivi de

production, la gestion de la qualit,... ouautres oprations requises par les diffrentsservices administratifs ou financiers deentreprise.

La technologie actuelle ne permet-elle pasau PC dassurer le contrle de loutil deproduction ?

LAPI est-il maintenant mme de saffran-chir de la prsence du PC pour une applica-ion de contrle dune installation ?

Ou peut-tre, lAPI et le PC peuvent-ilsmieux sintgrer ?

Les utilisateurs recherchent des solutionsqui apportent :

plus de modularit pour accrotre larutilisation ;

plus douverture pour permettre deconstruire des solutions plus performantes

un moindre cot.

Le PC napporte-t-il pas une meilleure

rponse ce besoin douverture ?Ne peut-on pas mettre en communication

les bases de donnes du dialogue oprateuret du contrle du procd de faon plustransparente et plus efficace ?

partir des lments de cet article, le lec-teur pourra se faire sa propre opinion et la-borer la solution rpondant le mieux sesproccupations et ses contraintes.

Dans un premier temps, les capacits dechacune des deux plates-formes, au regarddes exigences du contrle des procdsindustriels, seront identifies sans en oublierles limitations inhrentes aux technologiesutilises.

Ensuite, une esquisse de critres de choixguidera le lecteur dans sa rflexion.

Fonctionnalitsde chaque technologie

Forces du PC

Les PC dans le monde du contrle indus-triel peuvent tre classs en :

PC standards, conus pour rpondreaux besoins bureautiques, qui doivent gn-ralement tre placs dans une armoire deprotection pour tre utiliss en environne-ment industriel ;

PC industriels qui peuvent tre eux-mmes scinds en deux catgories :

le poste durci de conduite (qui pos-sde en plus de lunit centrale un cranet/ou un clavier) ;

le PC industriel en chssis : lune descartes du chssis est une unit centrale de

PC.

Mais les dveloppements du PC industriel

ont tendance suivre ceux du PC bureauti-que.

La trs large utilisation du PC dans le mar-ch de la Bureautique (un parc install de plu-sieurs centaines de millions dunits PC), aconduit inluctablement la dfinition destandards internationaux.

En effet, la principale force du PC est certai-nement laccs un grand nombre de stan-dards normaliss ou de fait, tant matrielsque logiciels.

Standards matriels

s Bus

Le bus ISA 8/16 bits 8 MHz (sans oublierson sur-ensemble EISA 32 bits 16 MHz) :cest le bus le plus rpandu dans le parc ins-tall.

Le bus PCI 32 bits 33 MHz : cest le nou-veau standard de rfrence. Spcialementconu pour les applications multimdia, sagrande vitesse de transfert (80 Mbits/s) allie la particularit de supporter plusieurs ma-tres lui permet de substituer galement lebus VME (Versatile Module Europe).

Les offres actuelles prsentent des archi-tectures duales contenant simultanmentdes connecteurs ISA (Industry StandardArchitecture) et des connecteurs PCI (Peri-pheral Compounnent Interconnect) offrant

ainsi une transition en douceur du standardmajoritairement prsent dans la base instal-le (ISA) vers le nouveau bus ouvert de rf-rence (PCI).

s Cartes

Plus que le bus, le format mcanique descartes senfichant sur le bus se trouve gale-ment standardis.

Les cartes demi format ont aujourdhuimajoritairement remplac les cartes au for-mat initial et communment appel formatlong .

Les cartes mezzanines semblent avoiractuellement la faveur des concepteurs. Eneffet, les cartes PC 104 dotes dun bus ISA

prsentent outre leur trs faible format, la


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particularit de pouvoir constituer des

connexions par empilage. Dj, apparaissentleur successeur potentiel : la carte PMC(PCI Mezzanine Card) qui prsente un formatquivalent mais dot dun bus PCI.

s Microprocesseur

Le PC est centr autour dun microproces-seur. Les microprocesseurs Intel 80 x 86 cons-tituent le standard. Le microprocesseur MMXdIntel a t cr pour mieux servir les appli-cations multimdia. Mais il se voit concur-renc par les processeurs RISC, trsperformants et conomiques, bass sur uneautre technologie et une autre architecture.

Les PC industriels semblent intgrer moinsrapidement les dernires volutions techno-logiques en matire de microprocesseurs.

En effet, le relatif faible volume de vente deces PC industriels contraint leurs concepteurs attendre la baisse prvisible du prix dumicroprocesseur. Cest ce que lon a encorepu observer lors de la rcente introduction duPentium dans le PC industriel.

s Liaison srie

La liaison srie RS232C ou RS485 constitueune rponse conomique et efficace tousbesoins de communication simple. Elle per-met la transmission de linformation entre lePC vers tout autre quipement (notammentun autre PC !).

s Liaison parallle

Le port de communication parallle initia-lement prvu pour les imprimantes indivi-duelles a longtemps t galement utilispour supporter les systmes de protectioncontre les copies illicites de logiciels (dongleou cl de protection matrielle).

Cette connexion performante a galementt utilise pour supporter des priphri-ques prsentant une interface SCSI par laconnexion dun adaptateur/convertisseur surle port parallle.

s Interface PCMCIA

La carte PCMCIA (Personal ComputerMemory Card International Association), trscompacte, prsente deux utilisations :

pour un ajout de mmoire additionnelle(de diffrentes technologies SRAM (StaticRandom Access Memory), flash EPROM(Electrical Programmable Read OnlyMemory)...) ;

pour doter le PC de connexion aux diff-rents rseaux de communication (Ether-net...).

Les caractristiques mcaniques, connec-teurs et dimensions, de ce support fontlobjet de normes (type I, type II, type III).

s Clavier

Organe dentre caractrisant fortement lePC, les claviers des calculateurs de table onttrouv leur standard o nombre de touches

(102) et disposition des caractres sur celles-

ci (QWERTY international, AZERTY franco-

phone) qui permettent aux utilisateurs dtredgale performance indpendamment duPC utilis.

s Souris

Elle a t directement emprunte aupremier rfrentiel bureautique apprcipour son ergonomie, le micro-ordinateurMacintosh dApple. La souris constituelorgane de pointage et de slection privil-gie des interfaces graphiques. Mme lesclics se trouvent standardiss :

la slection par un simple clicgauche ;

la validation (slection et lancement delexcution) par un double clic gauche ;

lapparition de menus contextuels surun simple clic droit.

s cran et contrleur vido

Lcran, organe de prsentation dinforma-tions textuelles et/ou graphiques, quipepresque systmatiquement le PC. Des stan-dards daffichage graphique ont rythm lesprogrs technologiques (CGA, EGA, VGA,SVGA 800 x 600, 1024 x 1024...).

Les crans caractriss par la taille et lenombre de points (pixels) vivent une volu-tion technologique ou le tube cathodique sevoit dtrner par les crans LCD (Liquid Crys-tal Display) matrice active et par les crans plasma.

Un nouvel quilibre dans les dimensionsdes crans se met en place : la profondeurdiminue trs fortement alors que la largeur etla hauteur augmentent sensiblement.

s Unit de stockage

Les supports amovibles conomiquesdinformations sont :

la disquette 31/2 1,44 Mo : supportmagntique re-inscriptible et de faible den-sit prsentant un temps daccs long et uneusure du support lie au contact des ttes delecture/criture ;

le CD-ROM (format ISO 9660) : supportoptique trs haute densit, plusieursgigaoctets, et temps daccs rapide. Le nom-bre de re-critures est toutefois trs limit

(chaque secteur ne pouvant tre crit quuneseule fois) ;

le disque mmoire statique (SRAM,Flash EPROM, EEPROM (Electrical ErasableProgrammable Read Only Memory)) rem-place peu peu le disque dur magntiquecomme mmoire de masse (dont les capaci-ts dpassent le gigaoctet), en raison descontraintes industrielles (chocs, rayonne-ments...).

s Rseau de communication

Afin de partager des ressources commu-nes ou critiques (imprimantes, disques demmoire de masse...) ou pour changer delinformation entre PC, un certain nombre de

rseaux bien adapts au monde bureautique

ou la gestion ont vu tour tour le jour. Une

norme OSI dfinit les diffrentes couches decommunications.

Le rseau Ethernet TCP/IP semble treaujourdhui la meilleure garantie dinter-oprabilit (capacit faire dialoguer entreeux deux quipements de natures et/ou deconstructeurs diffrents).

Standards systmes

s Systme dexploitation

DOS : le premier systme dexploitation duPC bas sur une interface textuelle en modeligne. Sa simplicit a certainement favoris lapntration du PC dans lentreprise.

Windows : successeur de DOS (quilencapsule), cette famille de systme dexploi-tation monotche prsente une interface gra-phique base sur le multifentragesconsistant empiler les fentres au fur et mesure de leurs ouvertures autorisant ainsiun cheminement inverse ais.

Les installations de la version courante deWindows reprsentaient 73 % du nombre desystme dexploitation sur PC pour 1997 !

Windows NT : ce systme dexploitationapporte Windows laspect multitche(capacit dexcuter en parallle plusieurstches) y compris sur les monoproces-seurs. Les estimations actuelles prvoient41 millions de licences en 2000 !

OS/2 : cest le premier systme dexploita-tion multitche pour PC distribu plu-sieurs millions dexemplaires. Trs fortementconcurrenc aujourdhui par Windows NT, ilreprsente moins de 2 % du nombre de nou-velles installations de systmes dexploita-tion pour 1997.

UNIX : ce systme dexploitation,emprunt aux gros calculateurs centraux, at le standard incontest des stations de tra-vail dans les annes passes. Il a tent sanssuccs une perce sur le PC. Il prsentaitnanmoins le redoutable avantage de pour-voir communiquer dans un monde homo-gne avec les gros systmes centraux :denvironnement Unix environnement Unix

via Ethernet TCP/IP.Nota : DOS est une marque dpose de Microsoft Corp.Windows est une marque dpose de Microsoft Corp.

Windows NT est une marque dpose de Microsoft Corp.

Le temps dallocation du microprocesseur est fragmenten tranches de quelques millisecondes. Chaque tche, selonsa priorit, se voit attribuer, par le gestionnaire des tches,une tranche de temps de calcul. Lorsque cette priode estentirement consomme, le microprocesseur est attribu la tche alors la plus prioritaire. Et ainsi de suite.

OS/2 est une marque dpose de International BusinessMachines Corp.

s Gestionnaire de fichiers

Pour obtenir une interoprabilit des appli-cations, le systme dexploitation est incon-testablement ncessaire mais ce pr-requissavre insuffisant. En effet, la gestion des

donnes doit tre galement harmonise.


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Ces donnes sont stockes dans des fichiers

et/ou des bases de donnes.Deux systmes de gestion de fichiers se

rvlent comme standard de fait :

celui accompagnant DOS : le File Attri-bute Table;

celui accompagnant OS/2 : le High Per-formance File System.

s Serveur de donnes

Deux applications peuvent changer desdonnes par une zone mmoire commune oubien par un fichier sur mmoire de masse.

Le Dynamic Data Exchange a supprim laourdeur et les contraintes de ces deux solu-ions pour permettre dadresser dynamique-

ment les mmes donnes.

s Serveur dapplications

Plus que les donnes, deux applicationspeuvent mettre en commun des services enpartageant des morceaux de code. Desmcanismes comme Object Linking onEmbedding ou [Distributed] ComponentObject Modelpermettent de partager dyna-miquement des fonctions/services com-muns.

Une version de OLE intgrant les contrain-es temps rel pour le contrle industriel (Ole

for Process Control) est actuellement encours de standardisation.

Bases de donnes

Les systmes de gestion de bases de don-nes relationnelles et leur langage de qua-rime gnration associ (le code source du

programme est gnr automatiquement partir dune description dun cran) se sontmposs dans les diffrents domaines

dapplications et pour les diffrents typesdarchitecture (centralise, rpartie).

Langages

Les langages de programmation des groscalculateurs ont t, au fur et mesure du

emps, disponibles sur lenvironnement PC.Le Basic/Visual Basic et le C/C++ sont les lan-gages qui ont su traverser les annes. Javaaccompagnant le raz de mare WEB/Internetse retrouve aujourdhui dans la course.

Ergonomie

La pliade dapplications dveloppes sure PC a gnr un besoin de dfinition des

standards ergonomiques [CUA (CommonUser Access), MDI (Multiple Document Inter-face)] afin dhomogniser les fentres, lesmenus, les botes de dialogue, les barresdactions, les barres dtats, les icnes, lesaides contextuelles en ligne, les bulles

daides...).

Valeurs dusageLa rgle dor du PC est dassurer une cer-

taine compatibilit ascendante. Une applica-tion fonctionnant sous une version n dunsystme dexploitation continuera fonction-ner sur la version n+1. Cette rgle tait en faitle seul moyen pour les diteurs de systmedexploitation de faire voluer le parc install.Ainsi, la livraison des versions antrieures etla maintenance de celles-ci peuvent trs rapi-dement tre stoppes tout en assurant unecontinuit de services pour lutilisateur.

SynthseGrce la ralit de ces standards, un trs

grand nombre dapplications ont t dve-

loppes autour du PC. Ceci se traduit par unimpressionnant catalogue de : logiciels ddis pour chaque type

dapplications ; de cartes ou modules matriels

(modem, communication, fax, carte son,carte vido, carte vision).

De plus, la transportabilit du matriel, PCportable, allie la basse consommationlectrique dotent le PC datouts supplmen-taires.

Sur le plan conomique, la taille considra-ble du march de la bureautique et du mar-ch grand public conduit une chute descots de cette solution, permettant ainsidintgrer de plus en plus de fonctionnalits/services tant en matriels quen logiciels.

Enfin, le PC a permis datteindre la totaleportabilit des applications. En effet, uneapplication dveloppe sur un matriel detype PC, dune marque donne, peut treexcute sans aucune modification sur un PCdune autre marque, lunique condition dedisposer du mme systme dexploitation.Ainsi, un utilisateur de PC bnficie dunegrande indpendance vis--vis de son four-nisseur attitr.

De mme, des fabricants de cartes ou di-teurs logiciels respectant les standards PCpeuvent quiper des PC de diffrentes mar-ques.

Aujourdhui, le standard PC tant matrielque logiciel est bien une ralit.

Forces de lAPI

LAPI a t conu pour rpondre auxbesoins spcifiques du march du contrleindustriel. Au regard de ce march, il disposede forces aussi bien sur le plan du matrielque sur le plan du logiciel.

MatrielPour le matriel, on peut citer sa robus-

tesse et sa fiabilit qui lui permettent de fonc-

tionner dans des environnements industriels

trs contraignants tant sur le plan mcanique

(chocs, vibrations, humidit, temprature...)que sur le plan de limmunit lectromagnti-que (rayonnements...).

s Priphrie industrielle

Des nombreuses applications de contrleont t ralises depuis une vingtainedannes, il en rsulte une large panopliede cartes et modules dentres/sortiesindustrielles :

tout-ou-rien (diffrent voltage, diff-rente densit...) ;

analogique ; comptage ; positionnement et commande daxes ; pesage ; communication sur rseaux locaux

industriels ; vision ; ...

ce catalogue de modules, il convientdassocier lensemble de la priphrie indus-trielle connecte sur bus de terrain :

squence de soudage ; lecteur laser de codes barres ; capteurs numriques (humidit, ana-

lyse, dbit, temprature, niveau, pression...) ; actionneurs pneumatiques (vannes,

vrins) ; lectrovannes ; visseuses ; distributeurs ; robots industriels ; rgulateurs ; commande numrique ; variateur de vitesse ; pupitres de commandes ; contrle-commande de distribution

lectrique ; etc.

s Microprocesseur

Pour garantir des performances temps rel(le temps de cycle de lapplication de contrlesexcutant dans lAPI doit tre infrieur ougal au temps de cycle du procd), certainsAPI sont dots dune structure bimicro-processeurs :

un processeur boolen traite exclusive-

ment toutes les instructions sur bits ; un second processeur effectue toute les

oprations sur octets, mots, doubles mots,flottants... et assure la coordination avec leprocesseur boolen.

De plus, des applications plus complexeset des contraintes de traitement trs rapide(scurit des biens et/ou des personnes)imposent un traitement au plus proche delactionneur. Des architectures multiproces-seurs centralises ou distribues se rvlenttre une meilleure solution.

Systme dexploitationAu niveau du systme dexploitation, la

principale force est certainement laspect


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temps rel o lunit de rfrence est la

milliseconde. Pour garantir ce temps rel, lesconcepts de multitche et de traitement survnement font parties intgrantes de lAPI.

Par ailleurs, le systme dexploitationapporte une trs forte fiabilit. un instant t,il ne sexcute quun seul programme decontrle sur lAPI. Il nest donc pas possiblede lancer, volontairement ou non, un pro-gramme pirate (autre programme decontrle, jeux...) alors quun programme decontrle sexcute. Il ny a donc pas possibi-lit de perturber sa bonne excution (pas deralentissement, pas de blocage du sys-tme...).

A contrario du PC o il est presque nces-saire de redmarrer au moins une fois par

jour le PC, lAPI excute continuellement leprogramme charg sans jamais ncessiter unredmarrage.

La scurit des biens et des personnesainsi que les enjeux conomiques conduisent traiter tous les cas dexception au niveau dusystme dexploitation et de raliser des testspousss et trs complets des programmes decontrle de procds industriels.

Langages

Historiquement, lAPI a remplac et tendula logique cble (relayage) par de la logiqueprogramme. Les spcialistes (concepteurs,hommes de maintenance...) possdent par

consquent un profil plus lectricien quinfor-maticien.

Pour faciliter la mise en uvre de lAPI, deslangages dans le respect de la culture lectricienne et/ou mcanicienne delutilisateur ont t dvelopps :

le langage contacts (Ladder Diagram) ; le GRAFCET (Sequential Function

Chart).

Le langage liste dinstruction (ou Instruc-tion List), qui est lAPI ce que lassembleurest au PC, permet de mettre en uvre desapplications de contrle partir de terminauxde programmation trs simples et trs co-nomiques.

Lutilisation du langage textuel volu(Structured Text), inspir du langage Pascal[et du C] amliore la productivit des fami-liers la fois du PC et de lAPI.

Enfin, un langage graphique de manipula-tion de blocs fonctions (Function Block Dia-gram) permet lautomaticien de travailleravec un niveau dabstraction lui octroyantune vision plus synthtique des diffrentesfonctions assures par lapplication.

Ces diffrents langages font aujourdhuilobjet de la norme IEC 1131-3. Ils possdentun noyau commun de jeu dinstructions. Unprogramme crit dans un langage textuel enbureau dtudes, pour des motivations de

productivit, pourra tre visualis au pied de

la machine sous forme de langage contacts,

plus parlant pour lhomme de maintenance.

Valeurs dusageMais les principales forces de lAPI rsident

certainement dans les valeurs dusage : les modes de marche (manuel/semi-

automatique/automatique), darrt, deremise en cycle, de reprise froid, de reprise chaud ;

la sauvegarde permanente du pro-gramme (code et donnes) ;

la sauvegarde permanente de soncontexte (valeur des diffrentes variables dusystme dexploitation) qui est indispensablepour autoriser la reprise chaud ;

un contrle permanent de ltat de lammoire [test de parit, CRC (Cyclic Redun-dancy Check...)] ;

la capacit de modifier en ligne le pro-gramme de contrle en cours dexcutionvitant ainsi la perturbation de lexploitationde loutil de production. Larrt du procdindustriel est impossible ou cot prohibitifpour les procds continus ou semi-continus ;

la dcompilation en ligne des program-mes en cours dexcution autorisantlhomme de maintenance intervenir avecune console de programmation ne contenantque les outils de programmation (ni le pro-gramme, ni les donnes ne sont prsentessur la console) ;

la dbrochabilit/embrochabilit soustension des modules ; sa non-sensibilit aux perturbations et

variations de la source lectrique ; un MTBF (Mean Time Between Failure)

reconnu trs important malgr les contrain-tes de son environnement (temprature,humidit, vibrations...) ;

une lisibilit instantane de ltat dechacune des entres/sorties par la prsencede leds de visualisation pour chaque voie ;

une chane ininterrompue de dtectionet de gestion des dfauts :

internes lautomate ou dtects parles capteurs/actionneurs situs dans le pro-cd lui-mme ;

dfaut associ chaque voie ou groupede voies ; dfaut associ au module ; dfaut associ un bac ou groupe de

modules ; dfaut de synthse pour lensemble de

la configuration automate ; lautodiagnostic de chaque module de

lautomate dtectant la prsence dventuelsdfauts internes.

Dans ce cas, le programme de contrlepourra exploiter cette information de dfauts.Toute dtection de la prsence dun dfautdonne lieu lclairage dune LED de dfaut.

Tous ces services/fonctionnalits savrentindispensables pour assurer la continuit de

service requise par le contrle industriel.

De plus, certains constructeurs assurent la

compatibilit ascendante : la dernire ver-sion de latelier logiciel de mise en uvre desAPI gre lensemble de la base installe.

Internet

Plus quun moyen de communicationaccessible depuis chaque bureau, depuischaque atelier de fabrication, depuis chaquefoyer, plus quune base de donnes et de con-naissances distribues sur toute la plante, leWEB constitue certainement le phnomnede socit de la fin de ce sicle.

Internet vhicule un nombre trs importantde technologies sur le plan :

du matriel par le calculateur de rseauNetwork Computer ;

du moyen et du protocole de communi-cation par Ethernet TCP/IP ;

du systme dexploitation par lamachine virtuelle ;

de lapplication structure autour delobjet et du composant rutilisable ;

du langage de programmation avecJava ;

des outils et environnements completsde dveloppement :

objets ; applications partir de ces objets ;

de la navigation/exploration dans lesapplications.

De cette collection technologique, il en res-sort une simplification des architecturesmises en place pour vhiculer linformationau sein de lentreprise.

Les diffrents rseaux de technologieshtrognes se concentrent en un seul.

De mme, au niveau des bases de don-nes, la fragmentation et la duplication desdonnes dans les architectures traditionnel-les engendrent des tches de gestion de mise jour et de cohrence, manuelle ou automa-tique, trs lourdes. Avec ce nouveau typedarchitecture, le producteur diffuse et tient disposition linformation ds sa cration cequi vite les stockages temporaires et multi-

ples dinformations.De ces technologies performantes dcou-lent naturellement le concept de TransparentFactoryTM. Le responsable de lentreprisepeut accder, grce la transparence appor-te par larchitecture, toutes les donnes delentreprise. On peut mme imaginer quilpuisse visualiser, depuis le terminal quipantson bureau, les mmes informations dedtail quun oprateur de production peutconsulter sur lcran de conduite de samachine ! Ceci avec la mme exactitude et lamme fracheur.

Nota : Transparent Factory est une marque dpose deSchneider Automation Inc.

Bas sur le rseau Ethernet dot des proto-

coles TCP/IP, cette Transparent Architecture


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continue sappuyer sur les API et les PC.

Nanmoins, pour solutionner les diffrentsproblmes de partage de nouveaux quipe-ments les Thin Client deviennent des sup-ports privilgis, et trs conomiques, pourdes fonctions de dialogue homme-machine.Le Thin Client possde des caractristiquesechniques trs limites. En effet, cet organe

de traitement pouvant tre dot dun clavieret/ou dun cran ne dispose pas localement,et en propre, de mmoire de masse (disquedur...). Ce Thin Clienten fait est dot dun sys-me dexploitation simplifi qui supporte

une machine virtuelle, un environnementogiciel permettant dexcuter des program-

mes Java. Cette machine virtuelle rend leprogramme indpendant du matriel et dusystme dexploitation sur lequel il fonc-

ionne. En dautres termes, un programmeJava peut sexcuter sur nimporte quellemachine supportant une machine virtuelle.

Le Thin Clientntant pas dot de mmoirede masse, le programme et les donnesassocies sont initialement stockes dans un

serveur. la mise sous tension du client, et

aprs reconnaissance et connexion avec leserveur, une copie du programme [pagesHTML (Hyper Text Markup Language),applets] devant sexcuter sur le client esttransfre du serveur vers le client. chaquechangement de programme, la mme opra-tion se reproduit. Lexcution dun pro-gramme sur un client peut donner lieu lexcution dextensions de ce programmesur le serveur (qui est dot de plus grandescapacits). Une communication dobjet objet stablit alors entre le client et le ser-veur excutant les deux parties du mmeprogramme.

Dune faon plus gnrale, un serveur sertplusieurs clients qui peuvent simultanmentexcuter le mme programme. Par exemple,un terminal de dialogue oprateur est dis-pos aux quatre coins dune machine trsvolumineuse. Sur chacun deux, on peut ais-ment consulter la mme information (mmeimage avec les mmes donnes).

Cette machine peut tre conduite partir

de chacun de ces postes oprateurs. Lesconflits daccs (tentative de conduire aumme instant la machine depuis plusieurspostes) sont grs de faon transparentegrce larchitecture client/serveur Intranet(figure 1).

De mme, lacquittement dune alarme partir de lun des postes est immdiatementet de faon transparente rpercute sur lesautres o la mme alarme a t affiche.

Limitations

Ne sont lists ci-aprs que les faiblesses auregard des besoins et exigences du contrleindustriel.

Figure 1 Transparence daccs linformation

Internet

Intranet

Serveur

Web

Serveur

Intranet

Serveur

Intranet

Automation

Contrle d'accs(Firewall)

Supervision

Rseau local industriel

Base de donnes

de fournisseurs

(catalogue,maintenance...)

Base de donnes

de l'entreprise(fournisseurs,

stocks...)

Consultable

accessible partir

d'un pupitre

de dialogue

oprateur


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Faiblesses du PC

La principale rticence pour utiliser le PCcomme organe de contrle du procd defabrication savre tre la non stabilit du PC.La vitesse de renouvellement de la technolo-gie du PC est extrmement rapide au regardde lchelle de temps dun procd de fabri-cation (10-15 ans). La dure de vie dunprocd industriel apparat difficilementcompatible avec les volutions trs rapidesdu PC qui pose immanquablement le pro-blme de la prennit de la solution ducontrle du procd. 18 mois aprs la com-mercialisation dun modle de PC, il nestplus disponible sur le march : par voie deconsquence, la gestion du stock de picesde rechange nest pas chose aise.

s Sur le plan logiciel

q La cible initiale du PC, le march de labureautique et le march grand public napas originellement impos de doter le PC decapacit de traitement temps rel. Un sys-tme dexploitation temps rel efficace estune condition sine qua non pour le contrlede procds industriels.

Lexcution globale de lapplication dansun temps respectant le cycle du procdindustriel impose un systme dexploitationmultitche premptif et des capacits de trai-tement sur interruption. Le PC commenceavec les dernires versions de Windows NT

implmenter de tels mcanismes.q Labsence ou la mauvaise gestion des

modes de marche (reprise froid, reprise chaud, initialisation...) handicape srieuse-ment le PC pour son utilisation dans lecontrle industriel. En effet, il nest pas tou-jours ais de remettre le procd dans sontat initial.

q Le troublant stress face au trou noir :le procd industriel se trouve momentan-ment sans aucun contrle lors du redmar-rage du PC suite un cas dexception nongr par le systme dexploitation et/oulapplication carte actuellement le PC de bonnombre dapplications de contrle com-mande.

q Enfin, on peut noter que les systmesdexploitation des PC sont compltementouverts. Il est trs facile, volontairement ounon, de quitter une application, de larrter,voire mme la supprimer (volontairement ounon). Cette absence de protection constituegalement un handicap majeur de lutilisa-tion du PC dans le contrle de procdsindustriels. Le PC assurant le contrle de pro-duction peut tre utilis simultanment parun oprateur oisif pour faire fonctionner unjeu.

q Les virus, vritable maladie du PC,constituent une infection prsentant uncaractre prilleux lutilisation dun PC pourassurer le contrle dune machine ou pro-

cd industriel. Un virus peut en effet rendre

indisponible une ressource (donne,

fichier...) indispensable la tche de contrleet provoquer ainsi des perturbations, voirelarrt de loutil de production !

s Sur le plan matriel

q La principale faiblesse du PC rside cer-tainement dans la quasi absence dentres/sorties industrielles.

Lavnement de toute la priphrie indus-trielle sur les bus de terrains et bus capteurs/actionneurs constitue une rponse pertinente cette lacune. Cette disponibilit rcentepositionne en fait le PC en challenger poten-tiel de lAPI.q Sa non-tenue aux contraintes des envi-

ronnements industriels (vibrations, chocs,

tempratures, corrosions...) se traduit par unaccroissement trs important du prix des PCpour obtenir un durcissement de ceux-ciou requiert une mise en armoire de protec-tion.q Les contraintes industrielles (rayonne-

ments) sont souvent incompatibles avec luti-lisation intensive de supports dinformationsmagntiques (disque dur... ). Des units destockage statiques de donnes sont certaine-ment mieux adaptes aux contraintes indus-trielles.

Faiblesses de lAPI

s Sur le plan logicielLa principale faiblesse souligner rside

dans la non-indpendance de lapplication etdu matriel car les systmes sont construitssur des architectures propritaires et spcifi-ques chaque base matrielle.

En effet, jusqu prsent, labsence de stan-dards forts et reconnus au niveau du logiciel(systme dexploitation compris) ne permet-tait pas la portabilit des applications dve-loppes pour un API dun constructeur donnvers un matriel dun autre constructeur.

Le dveloppement de la norme IEC1131contribue gommer progressivement cettelimitation.

Pour chaque plate-forme matrielle cible, ilexiste une seule chane complte et intgre :environnement de dveloppement, diteurslangages, outils de mise au point, compila-teurs, chargeurs, outils de diagnostic... per-mettant de grer lapplication pour la durede vie du procd contrler.

La capacit douverture de lAPI est trs fai-ble, voire inexistante par le pass. En effet,accder la base de donnes temps rel delAPI impose un partenariat troit avec leconstructeur pour avoir accs aux formatsdchanges, aux requtes systmes et auxformats internes des donnes.

Le jeu dinstructions exclusivement centrsur le traitement boolen et les oprateurs

arithmtiques de base se rvlent insuffisant

pour effectuer du traitement dinformations

plus sophistiqu.De mme, les structures de donnes sou-

vent limites au tableau de donnes demme type et linexistence de notion defichiers de donnes peut tre considrecomme un maillon faible de lAPI pour assu-rer des calculs statistiques, des tendances,des courbes dexprience...

s Sur le plan matriel

De mme que pour le logiciel, labsence destandards contraint lutilisateur dAPI enfourniture monosource. Chaque pice dumcano constituant lAPI (bacs ou platines,alimentations lectriques, processeurs,modules dentres/sorties, coupleursmtiers, coupleurs de communication...)pour une plate-forme donne ne peut trequexclusivement approvisionne chez unseul constructeur.

La priphrie industrielle aujourdhui dis-ponible sur les bus de terrain estompe sensi-blement cette restriction.

Les contraintes de lenvironnement (rayon-nements, chocs) conduisent carter certai-nes technologies ou bien en restreindreleur usage (mmoire magntique...). Ceci setraduit par une trs faible capacit de stoc-kage dinformations. Par exemple, tous lesattributs des variables utilises dans uneapplication ne sont pas stockes dans lAPIpour des raisons conomiques : les mmoi-

res statiques utilises possdent un rapportcapacit/cot prohibitif pour des stockages grande chelle.

LAPI ne dispose pas naturellementdorgane de dialogue homme/machine vo-lus (limit des leds affichant la valeurdune voie tout-ou-rien ou la prsence dundfaut).

Or, de plus en plus de machines requirentun pupitre de conduite dot dun cran pourdes affichages textuels et/ou graphiques.

Critres de choix

Avant les critres de choix proprementdits, il semble important de rappeler lesobjectifs recherchs dans le rapprochementde lAPI et du PC.

Objectifs et attentesdes utilisateurs

Les principales motivations des utilisateursrelvent de plusieurs ordres : conomique et

commercial mais aussi culturel :


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diminuer les cots de lautomatisme de

contrle commande ; diminuer lencombrement des armoi-

res lectriques ; minimiser le stock des pices de

rechange ; rechercher une meilleure interopra-

bilit entre les matriels des diffrentsconstructeurs ;

rechercher la portabilit des applica-ions dun matriel un autre ;

rechercher une formation et une dmar-che uniques indpendantes des matriels etogiciels ;

redistribuer les cartes commercialesdtenues par les constructeurs dAPI en faci-itant lentre de nouveaux acteurs par les

bus de terrain et/ou par les logiciels desupervision ;

diminuer le cot de dveloppement desapplications dautomatismes en disposantdun poste intgrant tous les outils ncessai-res depuis la spcification jusqu la recette,sans avoir ni quitter le bureau dtudes, ni monter en plate-forme tout ou partie de lamachine/installation ;

former les futurs oprateurs/exploitantset les hommes de maintenance avant la miseen service sur site.

La simple introduction du PC au niveau ducontrle industriel ne constitue certainementpas une rponse satisfaisante pour atteindre

ces objectifs. Lassociation API-PC trace plus

la voie de progression.

Rticences et craintes

ces attentes, lon doit opposer parmi lesnombreuses craintes :

lvolution trs (trop!) rapide des tech-nologies PC : la technologie PC est obsolteen 18 mois, une installation est en place pour10 20 ans ;

les virus, vritable maladie du PC (plusde 60 % des disquettes sont infectes !) ;

la ncessit de matriser un environne-ment de plus en plus informatique et demoins en moins automatisme (culture et for-mation de lexploitant, de lquipe de dpan-nage/maintenance) ;

lentre sur le march de fournisseursissus du monde PC nayant pas toujours lacomptence et la matrise en automatisme ;

le manque de robustesse des systmesdexploitation du PC (Combien de fois est-ilncessaire de redmarrer le PC ?) ;

le problme de la responsabilit de bonfonctionnement (cohrence, compatibilit...)de la solution complte se rvle tre un relproblme : trs peu de fournisseurs en solu-tions PC apportent une rponse globalematrielle et logicielle ;

le trs faible capital dexpriences de

solutions centres exclusivement sur le PCen contrle dapplications industrielles.

Rponses du march

Intgration matrielleLes solutions disponibles aujourdhui sur

le march (figure 2) rpondent, tout ou enpartie, ces attentes par un catalogue com-plet qui va du tout PC , trs ouvert maispeu robuste lautomate programmable, peuouvert mais trs robuste, en passant par tousles intermdiaires techniquement ralisa-bles.

s Le PC dans lAPICette solution consiste ajouter un

module PC dans le bac API.

Seules les informations auxiliaires aucontrle et les tches non critiques comme ledialogue homme/machine, la manipulationde fichiers, la consignation dvnementsvoire certaines communications rseaux sontgres par le PC intgr. LAPI se trouve ainsitotalement libre pour les tches de contrle.

Ce type de solution a le vent en poupe pourle contrle de grosses installations qui nces-sitent souvent des capacits importantes destockage de donnes pour la gestion derecettes, des communications...

Figure 2 Les rponses du march

Traitementdedonnes

Contrle

PC bureautique

PC durci

API dans PC

PC dans API API

Conduite

Tenue aux contraintes industrielles


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s LAPI dans le PC

Dans larchitecture la plus courammentrpandue , lAPI gre les entres/sorties de lamachine/installation et le PC supporte le dia-logue oprateur. LAPI et le PC communi-quent par un rseau ou une liaison srie.

Une solution quivalente moins encom-brante et plus conomique consiste int-grer le processeur API (sous forme dunecarte ISA/PCI standard) dans le PC Il reste

connect aux entres/sorties en bac ou rpar-ties sur un bus de terrain ou un bus capteurs/actionneurs.

LAPI, tournant sous un systme dexploita-tion temps rel, est utilis pour le contrlealors que le PC excute les applications temps non critique.

s LAPI logiciel

Une troisime voie consiste connecter lesentres/sorties du procd au PC via un busde terrain ou un bus capteurs/actionneurs. LePC supporte un API logiciel.

Cet API logiciel peut tre plus ou moinsriche.q Le package complet : sur le mme PC,

lapplication de contrle est crite directe-ment, simule pour sa mise au point et enfin charge dans lAPI logiciel pour tre rel-lement excute paralllement au dialogueoprateur.q Le noyau dexcution : lapplication est

crite, teste et valide depuis une consoletraditionnelle (logiciel de programmationtournant sur un autre PC) avant dtre tl-charge depuis la console vers le PC dexcu-tion du contrle et du dialogue oprateur.

Actuellement plusieurs noyaux tempsrel issus de Windows NT sont en dvelop-pement. Ils prsentent la particularit dtreintgrs au monde Windows et de prsenterdes interfaces communes pour le contrle et

le dialogue oprateur. Ces noyaux sont desti-ns pour excuter :

soit des tches de contrle faible criti-cit au regard du respect du temps de cyclede la machine/procd (Soft real time) ;

soit des applications o le respect dutemps rel savre critique (Hard real time).

s Les entres/sorties dans le chssisdun PC

La quatrime approche est dintgrer descartes dentres/sorties dans les slotsdextension dun PC industriel. Cette appro-che ne convient que pour les applications quipossdent une trs haute densit dentres/sorties or les cartes disponibles ne prsen-tent pas cette densit et ne possdent pastoujours une tenue suffisante sur le plan delimmunit lectromagntique.

Par consquent, cette solution est surtoututilise dans des applications spcifiques(laboratoire, banc de mesures...) caractri-ses par un volume et des frquencesdacquisition trs leves et ncessitantdonc un taux de transmission de donnestrs leves.

Intgration logicielle et partagede donnes

Lintrt du rapprochement API-PC ne sesitue pas uniquement sur le plan du matriel.

En effet, la motivation premire se rvleplus tre du domaine de la facilit de partagedes donnes. Plus exactement, la compl-mentarit API-PC peut tre examine sur leplan de larchitecture complte de la solutiondautomatisme :

Quatre critres caractrisent les architectu-res dautomatismes :

la configuration matrielle de lAPI et duPC ;

les entres/sorties et la priphrieindustrielle (centralises en bacs, distribuele long de bus de capteurs actionneurs ou debus de terrain) ;

les bases de donnes (format spcifiqueou standard, centralises ou distribues) ;

lapplication (les programmes de con-trle, les programmes de dialogue opra-teur).

On observe actuellement une tendance

dvolution des architectures du tout centra-lis vers le tout distribu.

s API et PC spars, entres/sorties en bacset bases de donnes spares (figure3)

Le PC et lAPI sont spars. Ils sont relispar une liaison srie ou par un rseau decommunication.

La communication entre les bases de don-nes ncessite une gestion explicite tantdans le programme de contrle que dans leprogramme de dialogue oprateur.

La base de donnes du contrle possdeun format spcifique au constructeur ;louverture de celle-ci requiert, de la part duconstructeur, la mise disposition dun SDKdaccs.

s PC intgr dans lAPI, entres/sorties enbacs et une base de donnes unique(figure4).

Le PC est intgr dans lAPI sous forme demodule.

Les entres/sorties sont centralises dansdes bacs.

Le programme de contrle et le dialogueoprateur partagent la mme base de don-nes au format spcifique du constructeur.

Le dialogue oprateur est totalement li aucontrle mais se trouve trs fortementdpendant du constructeur.

Figure 3 API et PC spars, entres/sortiesen bacs et bases de donnes spares

Base

de donnes

contrle

Base de donnes

ouverte du dialogueoprateur

API

PC


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s API et PC spars, entres/sortiesdistribues et bases de donnes sparesfigure5)

Le PC et lAPI sont spars. Ils sont relispar une liaison srie ou par un rseau decommunication ou bien par le canal messa-gerie dun bus de terrain.

Les entres/sorties sont distribues le longdun bus capteurs/actionneurs [ASI (ActuorSensor Interface)...] ou dun bus de terrainWorld FIP (Field Interconnect Protocol)].

La communication entre les bases de don-

nes ncessite une gestion explicite tant

dans le programme de contrle que dans leprogramme de dialogue oprateur.

s API intgr dans PC, entres/sortiesdistribues, bases de donnes encommunication (figure6)

LAPI est intgr dans le PC sous forme decarte dextension. Ils sont relis par le bus duPC (ISA ou PCI). La solution traditionnelleconsiste en une mmoire vive double port. Lebus interne du PC vhicule trs hautesvitesses les donnes entre le PC et la carte

API.

Figure 4 PC intgr dans lAPI, entres/sorties en bacs et base de donnes unique

Figure 5 API et PC spars, entres/sorties distribues et bases de donnes spares

Base de donnes

unique pour le contrle

et dialogue oprateur

API

PC

Base

de donnes

contrle

Base de donnes

ouverte du dialogue

oprateur

API

PC

ATV45

Le contrle et le dialogue oprateur dis-

pose de base de donnes spcifiques. Selonlimplmentation de la liaison PC-API, la com-munication entre les bases de donnes sta-blit par :

un lien spcifique, une gestion explicitetant dans le programme de contrle que dansle programme de dialogue oprateur ;

ou un lien standard [DDE (Dynamic DataExchange), OLE, OPC (OLE for ProcessControl)] : le programme de contrle danslAPI et le programme de dialogue oprateurdans le PC nont plus grer explicitement lacommunication.

Outre la rationalisation de la configurationmatrielle, entranant une rduction descots de larchitecture, cette intgration

apporte surtout une solution de partage dedonnes trs efficace. Le PC et lAPI peuventdisposer au mme moment des mmes don-nes.

s PC uniquement, entres/sortiesdistribues, deux bases de donnesen communication

Le PC supporte le dialogue oprateur et lecontrle (une tche prioritaire du PC estconsacre lAPI logiciel, une seconde estcharge de scruter et de grer les entres/sorties) (figure 7).

Les entres/sorties et la priphrie indus-trielle sont distribues le long dun bus cap-teurs/actionneurs (ASI...) ou dun bus de

terrain (FIP...).Ltat des entres/sorties et les donnes de

dialogue oprateur sont grs dans deuxbases de donnes diffrentes. Par contre,leur communication est compltement trans-parente aux programmes car elle sappuiesur un lien standard (DDE, OLE, OPC).

s PC uniquement, entres/sortiesdistribues, n bases de donnes rparties

Le PC supporte le dialogue oprateuret le superviseur/coordinateur du contrle(figure 8).

Les entres/sorties et la priphrie indus-trielle sont distribues le long dun bus cap-teurs/actionneurs (ASI...) ou dun bus de

terrain (FIP...) et chaque quipement embar-que les tches de contrle associes.

Il en rsulte une distribution des donnesdans plusieurs bases de donnes. Par contre,leur communication est compltement trans-parente aux programmes car elle sappuiesur un lien standard (DDE, OLE, OPC).

Les fonctions en prsence

Plus que loptimisation de la configurationmatrielle, plus que les nouvelles architectu-res distribues, lAPI et le PC supportent plusou moins bien les fonctions en prsence dansune application de contrle dune machineou dune installation. Le tableau 1 indique

une pondration de synthse.


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Figure 6 API intgr dans PC, entres/sortiesdistribues, base de donnes encommunication

Figure 7 PC uniquement, entres/sortiesdistribues, deux bases de donnes encommunication

Figure 8 PC uniquement, entres/sortiesdistribues, n bases de donnes rparties

Base de donnes

contrle

Base de donnes

ouverte du dialogue

oprateur

Lien privatif

Lien standard

Entres / sorties

Dialogue

oprateur

+ API

Base de donnes

ouverture du contrle

Base de donnes

ouverte du dialogue

oprateur

Lien standard

Entres / sorties

Dialogue oprateur

+ API logiciel + scannerd'entres / sorties

Base de donnes

ouverte du dialogue

oprateur

Base de donnes

ouverte du contrle

Lien standard

Entres / sorties

et contrle embarquDialogue oprateur+ configuration

entres / sorties +

superviseur

du contrle distribu


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Synthse : complmentarit,pas concurrence

Avec le mariage API-PC, les forces de lunannulent les faiblesses de lautre. Cest ceque lon peut vrifier dans les faits sur le

errain : les composants et technologies

employs pour le PC et lAPI sont de plus enplus proches, voire communs (microproces-seur, mmoire, PCMCIA...) ;

les constructeurs dAPI leaders matri-sent parfaitement la technologie et les stan-dards PC ;

un nombre toujours croissant decontrles de procds industriels voit la pr-sence simultane dun API et dun PC : lAPIassurant le contrle temps rel, le PC assu-rant la conduite (supervision, dialoguehomme-machine...) et/ou le traitement dedonnes (calculs complexes, stockage de

donnes...). Aujourdhui, prs dune applica-ion sur deux voit la prsence simultanedun API multifonction et dun PC. (Ceci necouvre videmment pas lensemble desapplications contrles par des nano et microautomates !) ;

le PC challenge de plus en plus souventes main frames et les mini-calculateurs

dans le niveau 2 du contrle-commande deprocds industriels ;

le mme besoin grandissant decommunication : des standards de communi-cation se sont imposs autant au bureau quedans latelier (Ethernet TCP/IP...) ;

lavnement des bus de terrain (World-FIP, INTERBUS-S...) et des bus capteurs

actionneurs (ASI...) ;

la normalisation des langages de pro-grammation et de la structure multitche desapplications ;

une volution culturelle qui se cachederrire le PARADIGM SHIFT, le dj trsclbre article Requirements of OpenModular Architecture Controllers for applica-tions in the automotive industry sign des

trois grands de lautomobile amricaine,General Motors, Ford Motor et Chrysler, enest une matrialisation [1] ;

la recherche sans cesse croissantedinteroprabilit entre les matriels ainsique la flexibilit des lignes ou procds deproduction ;

lAPI se voit dot de plus en plus decapacit de calculs par ladjonction de micro-processeurs de plus en plus performants ;

lavnement des systmes dexploita-tion multitche comme Windows NT ;

des PC standards, conus pour rpon-dre aux besoins bureautiques, sont placsdans une armoire de protection, pour tre uti-liss en environnement industriel ;

le rle du PC est en train de changer : deson utilisation typique au niveau de la super-vision du systme de contrle commandepour les applications de SCADA et dinterfacehomme machine, la technologie PCdaujourdhui est de plus en plus usite auniveau du contrle de larchitecture du sys-tme.

Il ny a pas de concurrence entre lAPI et lePC : lassociation des deux apporte des solu-tions plus performantes, plus ouvertes,moins onreuses et moins encombrantesque les solutions traditionnelles pour lecontrle et la conduite de machines ou dins-tallations, sans toutefois remettre en causeles services et les valeurs dusage de lauto-

matisme.

La rationalisation de la configuration mat-rielle et la combinaison efficace du contrle,du dialogue oprateur et du traitement dedonnes plaident en faveur des solutionscentres sur un PC.

Le PC apporte laccs des constituantsmatriels standards, des outils logiciels stan-dards et des interfaces standards.

Par contre, ce type de solutions est envisa-geable uniquement pour les applications ole temps rel nest pas critique mais o lestches de traitement et/ou daffichage sontprpondrantes.

LAPI reste la solution la plus conomique,particulirement pour les applications fai-ble volume dentres/sorties.

s Guy DCHENAUXChef de Produits Schneider Automation

Rfrences bibliographiques

Article de rfrence

[1] Requirements of open, modular-architecturecontrollers for applications in the automotiveindustryde General Motors, Ford Motor andChrysler publi dans la revue IndustrialControls Intelligence & The PLC InsidersNewlsletter davril 1995, par Carefree Com-munications, Inc.

tudes marketing

[2] The european market for PLCs and industrialPCpublie, en janvier 1996, par Intex Mana-gement Services.

[3] PLC outlook for Europe Market Analysis andForecast Through 2000publie, en mai 1996,

par Automation Research Corporation.

Tableau 1 Les fonctions en prsenceAPI PC

Traitement de donnes

Calculs

Recettes

Statistiques

Supervision

Communication

DiagnosticSystme

Application

Dialogue oprateurPupitre conduite

Pupitre graphique

ContrleSquentiel

Par lots (Batch)

Fonctions mtiers

Axes

Vision

Variation de vitesse

Entres/sorties Tout-ou-rien/analogique

api et pc - solutions concurrentes ou complmentaires

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