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INTRODUCTION AUX RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS

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Introduction aux Réseaux Locaux Industrielsou Bus de Terrain

• I) Définir le Bus de Terrain• II) Avantages et Inconvénients• III) Hier et Aujourd’hui• IV) Classification• V) I.S.O. et Bus de Terrain• VI) Exemples• VII) TCP/IP et Bus de Terrain

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I) Définir le Bus de Terrain

• TERRAIN = Délimite une zone géographique (Usine,Atelier,Voiture...)

• BUS = Ensemble des fils utilisés pour l ’échange de données entre différents circuits électroniques

• RESEAU =Ensemble de lignes de communication qui desservent une même unité géographique

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M

V

I) Définir le Bus de TerrainBUS DE TERRAIN = Réseau de Communication Numérique

reliant différents types d ’équipements d ’automatisme

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M

V

BUT INITIAL:Remplacement des boucles

de courant 4-20 mA

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M

V

Mais aussi :

* DISTRIBUTION : Décentralisation du contrôle, Traitement des alarmes, Diagnostics

* INTELLIGENCE : Déportée au niveau de ces équipements

* INTEROPERABILITE : Système ouvert

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II) Avantages et Inconvénients

• REDUCTION DES COUTS :– Réduction massive du câblage– Possibilités de réutiliser le câblage existant– Réduction du matériel nécessaire à l ’installation

• REDUCTION DES COUTS DE MAINTENANCE – Complexité moindre => Fiabilité accrue– Maintenance plus aisée : Dépannage « On Line »

Outils dédiés– Flexibilité pour l ’extension du bus

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II) Avantages et Inconvénients PERFORMANCES GLOBALES ACCRUES:

• Précision de la communication numérique• Informations sont disponibles à tous les équipements• Dialogue entre 2 équipements est directe• Structure Distribuée permet un éclatement de

l ’algorithme en plusieurs tâches• Interopérabilité : Connexion d ’équipements hétérogènes

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II) Avantages et Inconvénients

INCONVENIENTS:• Prise en compte de l ’information en Temps Réel• Sécurité des informations• Choix du réseau

– Topologie– Accès au bus– Vitesse– Médium– Standard ou Propriétaire

• Coût direct du prix du Bus de Terrain

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III) Hier et Aujourd’hui • 1940 Process de contrôle de capteurs de pression• 1960 Standard de la boucle de courant 4-20 mA• 1970 Boom des processeurs => API• 1980 Bus de terrain propriétaires• 1992 Standardisation de la couche physique• 1994 Fieldbus Foundation =

• WorldFIP (World Factory Information Protocol) EUROPE• ISP (Interoperable System Project) USATopologie

• 1998 Standardisation de la couche Liaison

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III) Hier et Aujourd’hui

• Nombre de bus de terrain en Europe:1995 : 10 000 2000 : 70 000

• Fort accroissement du nombre de bus de terrain dans le monde ( sauf en France)

• La Standardisation a assaini l ’offre, mais il reste encore trop de standards et beaucoup trop de bus propriétaires

Il existerait 2000 Bus de Terrain différents

CONSTAT:

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III) Hier et Aujourd’hui

• ControlNet• Foundation Fieldbus - H1• Foundation Fieldbus - HSE• Interbus• P-Net• Profibus• SwiftNet• WorldFip

Standard IECC 61158:

Regroupe 8 bus de terrain différents sous le même standard

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L'INTEGRATIONFONCTIONS SYSTEMES INFORMATIONS

TERRAIN

MACHINE

CELLULE

ATELIER

USINE

IV) CLASSIFICATION

PYRAMIDE CIM (Computer Integrated Manufacturing)

GESTIONENTREPRISE

AUTOMATISATION

COMMANDE CENTRALISEE SUPERVISION

CONTRÔLE PRODUCTION

DONNEES

CALCULATEURS

MICRO-ORDINATEUR

API CONTROLEURS REGULATEURS

CAPTEURS ACTIONNEURS

FICHIERS

TABLEAUX

MESSAGES

MOTS

BITS

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TERRAIN

MACHINE

CELLULE

ATELIER

USINE

VOLUME DE DONNEES

TEMPS NON CRITIQUE

TEMPS > 10 s

TEMPS < 1 s

TEMPS < 0,1 s

T < 0.01 s

Temps de réponse

TRAITEMENTDE DONNEES

TRAITEMENTDE DONNEESEN TEMPSREEL

PYRAMIDE CIM (Computer Integrated Manufacturing)

IV) CLASSIFICATION

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TERRAIN

MACHINE

CELLULE

BUS SENSEUR/ACTEUR

BUS DE TERRAIN

BUS D ’USINE

RESEAUX INFORMATIQUES

ATELIER

IV) CLASSIFICATION

USINE

INTERNET

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IV) Classification • (Bus d ’usine:)

Réseau Local Industriel basé sur ETHERNETUn PC Industriel sert de passerelle entre le réseau informatique et le bus

de terrain• BUS DE TERRAIN

Relie des unités intelligentes qui coopèrent Temps de réaction de quelques millisecondesCommunication de type Maître/Esclaves ou MultiMaîtresPossibilités d ’accès au niveau inférieur

• BUS SENSEUR/ACTEUR ( ou Capteur/Actionneur)Relie entre eux des nœuds à intelligence limitée ou nulle( E/S déportées)Temps de réaction très rapideCommunication Maître/Esclaves

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TERRAIN

MACHINE

CELLULE

TOKEN

RING

ETHERNET

TCP/IP

RNIS

SATELLITE

MODEM

IV) CLASSIFICATION

USINE

ATELIER

PYRAMIDE CIM et les Réseaux

ETHERNET

PROFIBUS FMS

WORLDFIP

BITBUS PROFIBUS-DP

INTERBUS-S

LONWORKS

CANPROFIBUS-PA AS-i

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V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN • Le Modèle I.S.O.

Le modèle d ’Interconnexion des Systèmes Ouverts (I.S.O) de l ’Organisation de Standardisation Internationale (O.S.I)sert de référence à tous les systèmes de communication.

APPLICATION7

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5

4

3

2

1

PRESENTATION

SESSION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON

PHYSIQUE

Interface avec l ’application

Représentation des données

Synchronisation du dialogue

Connexion entre les 2 hôtes distants

Routage=Acheminement des paquets

Construction des trames + Détection des erreurs

Codage des bits + Caractéristiques électriques

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V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN • Le Modèle I.S.O. possède 7 couches

– Couches de 1 à 4: couches basses chargées d ’assurer un transport optimal des données

– Couches 5 à 7: couches hautes chargées du traitement des donnéesAPPLICATION7

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5

4

3

2

1

PRESENTATION

SESSION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON

PHYSIQUE

APPLICATION 7

6

5

4

3

2

1

PRESENTATION

SESSION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON

PHYSIQUESUPPORT PHYSIQUE

BITS

TRAMES

PAQUETS

MESSAGES

PROTOCOLE

SERVICE

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V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN • Le Bus de Terrain

Le bus de Terrain est basé sur la restriction du modèle I.S.O. à 3 couches.

APPLICATION7

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5

4

3

2

1

LIAISON

PHYSIQUE

Les couches 3 à 6 sont vides:

Pas d ’interconnexion avec un autre réseau

Couche Liaison =

L..L.C. : Logical Link Control

M.A.C. : Medium Access Control

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V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN

APPLICATION7

2

1 PHYSIQUE

L.L.C. : Logical Link Control

•Filtrage des messages

•Recouvrement des erreurs bit/trame

•Notification de surcharge

M.A.C. : Medium Access Control

•Mise en trame: émission/réception

•Détection et signalisation du bit erreur

•Arbitrage: gestion de l ’accès au médium

COUCHE LIAISON :

LLC

MAC

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VI) EXEMPLES

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1) AS-i (Actuator Sensor Interface)Le Standard International pour le bus de terrain de plus bas niveau

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12

34

12

34

PuissanceALIM

- +-

Réseau de Capteurs / Actionneurs

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Caractéristiques de AS-i

COMMUNICATION• Principe de communication:

Maître/Esclave par polling• Vitesse: temps de cycle < 5ms• Taille des données: 4 bits

DIVERS• Esclave = 4 entrées TOR+ 4 sorties TOR + 4 bits de paramétrage• E/S analogique possible • Données et puissance sur le même câble (jaune)

PHYSIQUES• Topologie: Libre• Médium: Câble 2 fils non blindés• Distance: 100m (300 répéteurs)• Nombre de nœuds: 31 esclaves

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2) PROFIBUS DP (Distributed Periphericals)COMMUNICATION

• Principe de communication:Maître/Esclave

• Vitesse: 9.6 Kbps à 12 Mbps• Taille des données: 244 octets

DIVERS• Profibus PA

– dépend d ’un maître sur Profibus DP– vitesse=31.25 Kbps– Données et puissance sur le même câble

• PROFInet bus de terrain sous TCP/IP devrait remplacer Profibus FMS

PHYSIQUES• Topologie: Libre• Médium: Paire torsadée, fibre• Distance:

– 100m à 12 Mbps– 1200m à 9.6 Kbps

• Nombre de nœuds: 127

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VII) TCP/IP et Bus de TerrainLes réseaux informatiques ont généralement tous adoptés le protocole TCP/IP

APPLICATION7

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1

PRESENTATION

SESSION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON

PHYSIQUE

TELNET,FTP,WEB7

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XDR

RPC

TCP

IP

ETHERNET

INTERNET = Connexions de l ’ensemble des réseaux TCP/IP

TCP/IP peut-il envahire les Réseaux Locaux Industriels ?

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Contre TCP/IP

• Protectionisme commerciale et politique• Chaque Bus de Terrain a ses propres caractéristiques et

avantages• TCP/IP n ’est pas temps réel• Capacité mémoire importante et processeur puissant• Mauvaise protection (sûreté de l ’information)

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Pour TCP/IP

• Le PC Industriel est présent dans le secteur industriel• Faible coût des cartes Ethernet pour PC• Protocole TCP/IP bas niveau = Sockets BSD• Interconnexion existante : ponts, routeurs, passerelles • INTERNET

– Télémaintenance– Supervision A Distance

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TCP/IP aujourd’hui dans l’industrie • EasyIP: solution FESTO à travers TCP/IP

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TCP/IP aujourd’hui dans l’industrie • AIDIAG Premium (Schneider)

Permet l ’analyse et la mise au point d ’installation automatisée

Envoi automatique par Email des enregistrements

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TCP/IP aujourd’hui dans l’industrie

• E/S déportées sur ETHERNET TCP/IP (WAGO Contacts)

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CONCLUSION

• Le bus de terrain est présent dans tous les milieux industriels• L ’automaticien d ’aujourd’hui doit avoir de nombreuse

compétences: automatique, automate programmable, capteurs,pneumatique, hydraulique, électrotechnique, informatique…

Réseaux Locaux Industriels• Les bus de terrain permettent l ’échange de données entre:

– un automate et des capteurs/actionneurs– des automates– des automates et un PC

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CONCLUSION

• TCP/IP est de plus en plus présent en automatisme:– La Supervision sur PC a fait accélérer ce mouvement– Plusieurs constructeurs remplacent leur réseau local industriel

ETHERNET par une solution TCP/IP– Plusieurs constructeurs amène TCP/IP jusqu ’au niveau terrain

TCP/IP et ETHERNET devrait prendre de plus en plus de place en automatisme, mais il ne remplacera pas les bus de terrain