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TERRAIN :un endroit, lespace ou quelque chose de limit
gographiquement (atelier, usine, voiture,)
BUS (au sens informatique industrielle) : conducteur ou ensemble
de conducteurs communs plusieurs circuitspermettant lchange de
donnes entre eux
RESEAU : ensemble de lignes de communication permettant lchange
de donnes (informations) entre les diffrents systmes loigns
Considrations Techniques Quest ce quun Bus de Terrain ?
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Quest ce quun Bus de Terrain ?Terme gnrique dun Rseau de
Communication Numrique ddi aux systmes de lautomatisme
industriel
Rseau de communication numrique entre quipement industriel
dport
Rseau Local Industriel reliant diffrents types dquipement
dautomatisme :Entrs / Sorties dportesCapteurs /
ActionneursAutomates ProgrammablesVariateur de vitesseTerminaux IHM
(Interface Homme-Machine)CalculateursConsidrations Techniques
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Pourquoi le Bus de Terrain ?BUT INITIAL - REDUCTION DU CABLAGE
:distribution (dcentralisation) de lacquisition des donnes du
processremplacement des boucles analogiques de courant 4 - 20 mAla
communication par le bus permet dchanger des donnes qui sont
difficilement transmissibles autrement (ex.donnes numriques)
MAIS AUSSI :Distribution (dcentralisation) du contrle-commande,
du traitement des alarmes, diagnostic au diffrents quipements de
terrainIntelligence dporte au niveau de ces quipementslchange des
donnes par des mcanismes standards (protocoles)Interoprabilit
(systmes ouverts) Considrations Techniques
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Bus de Terrain : Consquences immdiates.DIMINUTION DES COTS un
bus de terrain rduit les cots dinstallation jusqu 40 % rduction
massive du cblage, (moins de filasse)simplification de la mise en
servicesimplification et rutilisation possible du cblage
existant
AUGMENTATION DE LEFFICACITE prcision,flexibilit dextension et
raccordement de modules divers sur une mme ligneformalisation des
changes des donnes entre quipementstendu des domaines
dapplicationdisponibilit doutils de mise en service et diagnostic
(localisation des pannes)
AUGMENTATION GLOBALE DE LA QUALITEConsidrations Techniques
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Bus de Terrain : Consquences immdiates. Exemple en domaine
Industrie de Process Ex Ralisation classique 4-20 mA : - une
barrire I.S et un cble pour chaque capteur / actionneur (il manque
encore alimentation lectrique et les signaux de synchronisation !)
Ralisation Bus de Terrain : - une seule barrire I.S et un seul cble
pour lensemble dquipementIsolation de scuritConsidrations
Techniques
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REDUCTION DES COTS INITIAUX (Engineering)
rduction massive du cblage et du matriel ncessaire linstallation
:un seul cble en gnral pour tous les quipements au lieu dun par
quipement le nombre de cbles et de rpartiteurs ncessaires diminue,
de mme que le volume des armoires
rduction du temps dinstallation et de la mise en service
rduction des erreurs de montage grce aux cbles
pr-confectionns
dans certains cas, la possibilit de rutiliser le cblage
existant
Avantages et limite ... Considrations Techniques
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REDUCTION DES COTS DE MAINTENANCE Complexit moindre donc moins
de maintenance; fiabilit accrue
Outils de test et de paramtrage ddis (analyseurs,
configurateurs,)
Maintenance plus aise : rduction du temps de
dpannagelocalisation des pannes plus facile grce aux fonctions de
diagnostic en lignepossibilits de tl-diagnostic, tl-dpannage,
tl-configuration
Flexibilit pour lextension du bus de terrain et pour le
raccordement des nouveaux participants Avantages et Inconvnients
... Considrations Techniques
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Avantages et Limites CONNAISSANCES SUPERIEURES (lis au fait de
devoir accder une nouvelle technologie)Comptences rares : la
matrise des rseaux de communication industrielle demande une
formation spcifique Topologie, fonctionnement et accs au bus :
conflits, arbitrage, protocoles, Scurit des informations
transportes : gestion des erreursSupports physiques ABSENCE DE
NORMALISATION au niveau international (la norme IEC 61158 est un
chec) CHOIX ENTRE SOLUTIONS PROPRIETAIRES ET STANDARDS (Solution
Bus de terrain reste toujours une solution standard propritaire )
INVESTISSEMENT en quipements et accessoires (monitoring,
maintenance : cots apparemment suprieurs) MANQUE dINTEROPERABILITE
TOTALE (passerelles obligatoires) entre les diffrents rseauxentre
les diffrents niveaux dautomatisme mme parfois au sein dune
technologie donne : ex.CANConsidrations Techniques
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Bus de Terrain et le Modle OSI
ApplicationLLCMACPhysique765432
1ApplicationLLCMACPhysique765432
1UtilisateurSupervision RseauStandard de faitStandardISA /
SP50Un Bus de Terrain est bas sur la restriction du modle OSI 3
couches : Couche 1 : PhysiqueCouche 2 : Liaison de DonnesCouche 7 :
ApplicationCouches 3 6 sont vides car il ny a pas besoin
dinterconnexion avec un autre rseau (gain de performance)Cette
modlisation est respecte par les standards de fait et
internationaux !!!! Considrations Techniques
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Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 2 :
LiaisonCouche Liaison MAC ISA/SP50 : arbitrage et accs au mdium :Le
principe Matre - EsclaveUn nud MATRE actifPlusieurs nud Esclaves
qui ont le droit seulement de rpondre au MatreAccs au mdium par le
polling avec jeton : on peut avoir plusieurs Matres dclars mais
seul le matre ayant le jeton est le MATRE ELU pour interroger les
nuds esclaves (pas de contention)Chaque trame contient les adresses
SOURCE et DESTINATIONIl existe le code CRC 16 bits pour la dtection
des erreurs de donnes
Couche Liaison LLC ISA/SP50 (en cours de normalisation) supporte
les deux types de messages :MESSAGE OPERATIONNEL (OPERATION) :
faible volume, temps critique, pour le transfert des variables et
commandesMESSAGE DE FOND (BACKGROUND) : fort volume, temps non
critique, pour le diagnostic,
configuration,...ApplicationLLCMACPhysique765432
1UtilisateurSupervision RseauConsidrations Techniques
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Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 7 :
ApplicationCouche Application ISA/SP50 dfinit deux types de
connexion :Modle CLIENT / SERVEUR : pour le transfert acyclique de
donnes (fort volume) entre deux applications (rapports,
gestion,..)Modle PRODUCTEUR / CONSOMMATEUR (Publisher/Subscriber) :
pour le transfert cyclique de donnes (faible volume) entre deux
applications (contrle - commande, tat capteurs / actionneurs,
.)
BUS DE TERRAIN ISA / SP 50 EST EN COURS DE NORMALISATION (FF,
ISA, CEI)couche liaison adopte en 1997premires ralisations :
WorldFIP, FIELDBUS FOUNDATION, HARTPROFIBUS (bien que dissident de
ce groupe de normalisation) converge vers cette norme
ApplicationLLCMACPhysique765432
1UtilisateurSupervision RseauConsidrations Techniques
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Bus de Terrain : Les Supports Physiques Lutilisation des
supports physiques dpend de la distance entre les stations et de
lenvironnement dans lequel sera install le support
Les CABLES : - Paire torsade (blind ou non ) - Cble coaxial -
Cble lectrique (courant porteur ) - Fibre optique
AUTRES : - Ondes hertziennes (radio) - Par infra-rouges - Par
laserConsidrations Techniques
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Bus de Terrain : Topologie La Topologie est la manire dont les
quipements dun rseau sont relis entre eux par le support physique
.
Les quatre diffrentes topologies possibles sont :Anneau
(Ring)Etoile (Star), Bus, Arbre (Tree)Considrations Techniques
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Bus de Terrain : Topologie (suite) Considrations Techniques HUB
: Host Unit Broadcast (unit de diffusion vers les htes)HUBTopologie
en ANNEAUTopologie en ETOILE Chaque station est raccorde un cble
constituant une liaison physique commune en forme dune boucle ou
circuit ferm Communication unidirectionnelle : Le transfert
delinformation se fait dans un seul sens, le long du support de
transmission Lanneau est une structure active , les signaux sont
rgnrs au passage dans chaque nud Problmes si un nud en panne; la
rupture de lanneau paralyse le trafic sur le rseau Extension
impossible en fonctionnement Nud Central : Cette configuration est
caractrise par un nud centrale (HUB) auquel chaque station est
relies Le HUB doit assurer la connexion travers du rseau Le
transfert delinformation seffectue en mode point - - point En cas
de panne du HUB, lensemble du rseau est hors service !!! Lextension
possible en fonctionnement mais limite par la capacit du HUB Plus
de cbles et manque de souplesse ; il faut une liaison supplmentaire
pour chaque station rajoute La gestion du rseau est plus simple et
plus conomique
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Bus de Terrain : Topologie (suite) Topologie en ARBRETopologie
en BUS Topologie en BUS : Dans cette configuration chaque nud est
raccord un cble constituant une liaison physique commune Le
transfert delinformation seffectue en mode multipoint Tout message
transmis emprunte le mme cble pour atteindre les diffrents nuds
Cette organisation permet de rduire le nombre de connexions Une
dfaillance dun nud ninterrompe pas la communication entre les
autres nuds Extension aise Elle est la plus largement rpandue
lheure actuelle. Topologie en ARBRE : Compromis entre les 3
topologies prcdentesConsidrations Techniques
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Modle Matre - Esclave : Un Matre interroge cycliquement ses
EsclavesMatre : Station qui peut prendre de sa propre initiative,
le contrle du support de transmission pour mettre, sans attendre
dautorisationEsclave : Station qui ne peut pas prendre, de sa
propre initiative, le contrle du support pour mettre, elle doit
attendre une autorisation pour le faire. Elle met la demande du
Matre.Modle Client - Serveur : Le Client envoie des requtes en
direction du Serveur qui rpond en renvoyant les donnes demandes
(communication point--point entre appareils prsents sur le Bus de
terrain)Client : Le processus (une station) qui prend linitiative
de communication Serveur : Le processus (une station) lcoute dune
demande de service en provenance dun processus (station) Client
Modle Producteur - Consommateur : La station qui met (Producteur),
envoie une information reconnue par son identificateur. Toutes les
stations qui utilisent cette donne (Consommateurs) peuvent la lire
en mme temps (communication enregistre de type diffusion)JETON : un
message particulier que lon passe de station en station. La station
qui veut mettre doit tre en possession du jeton. Une fois lmission
termine, la station remet le jeton dans le circuit (envoie vers la
station suivante) Quelques dfinitionsConsidrations Techniques
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Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium et dchange de donnes
C'est la sous-couche MAC (couche 2) qui ralise la gestion des accs
sur le mdium, et le protocole qui en dfinit les rgles dchange
dinformation.
Il existe plusieurs techniques d'accs qui sont indpendantes du
type de topologie, mais deux mthodes essentielles peuvent tre
distingues :mthodes daccs par ELECTION (accs centralis)la gestion
de laccs est confie un arbitre fixe (Matre ou Arbitre de Bus)Laccs
par COMPETITION (accs alatoire)chaque station peut mettre, ds
quelle le dsire, ce qui implique un risque de conflit daccs avec
les autres stations et des procdures de rsolution de ces
conflits
Les techniques daccs les plus connues :Par Polling (E)Par
multiplexage temporel (TDMA) (E)Techniques daccs par jeton (E)Modle
Producteur - Consommateur (E)Arbitrage Bit Bit avec le bit dominant
(Binary Countdown) (C)Accs alatoire (CSMA/CD, CSMA/CA) (C)
Considrations Techniques
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Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium Modle
Producteur/Consommateur (ex. WorldFIP)Station 2Produits ID :
09Consom ID: 08,10,12 Repose sur un mcanisme de diffusion
(Broadcasting) et le contrle daccs est gr par une fonction
centralise appele Arbitre de Bus implante dans une station ddie Les
stations peuvent tre dfinis comme PRODUCTEURS ou CONSOMMATEURS
dinformations. Une information (variable) est produite par UN SEUL
producteur et est rfrence par un IDentificateur unique Arbitre de
Bus prlve dans la table de scrutation un identificateur ID et lmet
sur le rseau Station qui se reconnat comme producteur de cette
variable, diffuse immdiatement la rponse contenant la valeur de la
variable La rponse est reue par toutes les stations et est exploite
uniquement par les consommateurs de la variableStation 1Produits ID
: 12Consom ID: 07Station 3Produits ID : 10Consom ID:
07,09,12Station 6Produits ID : 07Consom ID: 09,10Station 4Produits
ID : Consom ID: 09,10,12Station 5Produits ID : 08Consom ID:
07,09,12Station 7 (Arbitre de Bus)Table de Scrutation Liste ID :
07, 08, 09, 10, 12Considrations Techniques
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Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium Accs par larbitrage
Bit Bit CSMA/CD+AMP (ex. bus CAN) Lorsque le bus est libre,
nimporte quel nud (station) peut commencer transmettre linformation
en mettant lentte de trame Lentte contient lIDENTIFICATEUR de 11
bits spcifiquement associ cette information; larbitrage ne concerne
que cet identificateur. Le protocole spcifie des bits DOMINANTS
(bits 0) et RECESSIFS (bits 1) dans lidentificateur Lorsque deux
nuds tentent daccder simultanment au mdium, les bits rcessifs de
lidentificateur dun nud sont masqus par les bits dominants de
lidentificateur plus prioritaire de lautre nud. Chaque metteur
coute le bus et bascule en rception ds quil dtecte un bit dominant
alors quil envoie un bit rcessif Le nud dont lidentificateur avait
la plus haute priorit (cest--dire celui dont lidentificateur est le
plus faible) gagne larbitrage et accde ainsi au bus Son information
est envoye sans perte de temps Le nud qui a perdu larbitrage tente
nouveau un accs au bus ds que le bus se libre; larbitrage nest donc
pas destructif Efficacit importante, accs multiples possibles,
Dterministe Mais : le temps de propagation des signaux doit tre trs
petit par rapport la dure dun bit (bit time) car chaque nud doit
ragire pendant ce temps (bit time) Cette mthode est appele Carrier
Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on
Message Priority Considrations Techniques
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Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium Accs par larbitrage
bit bit CSMA/CD+AMP (exemple: bus CAN)Abandon Nud 1Abandon Nud
2
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Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium Station 2Station
3Station 4Station 1Accs alatoire par comptition CSMA mission
simultane : (1)-->(3) et (4)-->(2) CSMA : Carrier Sense
Multiple Access (Ecoute porteuse, accs multiple) Dans la mthode
CSMA plusieurs stations peuvent tenter daccder simultanment au
support (Multiple Access) Ceci impose pour chaque station lcoute et
la dtection du signal sur le rseau (Carrier Sense). Chaque trame
qui passe par le rseau est lue par toutes les stations. Si ladresse
de destination correspond celle de la station, la trame est envoye
vers la couche suprieure, sinon elle est rejete. Une station ayant
des trames mettre teste la prsence du signal sur le bus. Si le bus
est libre, elle transmet la trame. Sinon (une autre station est en
train dmettre) elle diffre son mission Cette technique nvite pas
les collisions, deux stations peuvent envoyer une trame
simultanment. En cas de collision les trames sont altres, donc
perdues. La mthode CSMA/CD prvoit une dtection des collisions
(Collision Detection). Une fois la trame mise, la station coute le
support pendant un temps (double temps de propagation). Au bout de
ce temps, deux cas peuvent se prsenter la trame mise nest pas
altre, il ny a pas eu de collision ; la station peut poursuivre sa
transmission la station dtecte une trame altre, il y a eu collision
; la station reprend la transmission aprs un temps dattente
alatoire Considrations Techniques
-
Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium (Rcapitulatif) : bon
: OK ( condition que) : mauvaisConsidrations Techniques
Efficacit trafic faible
Efficacit trafic lev
Dterminisme
Robustesse
Flexibilit couche physique
Cot par nud
Polling
(
(
(
(
(
(
TDMA
(
(
(
(
(
(
JETON
(
(
(
(
(
(
Producteur Consommateur
(
(
(
(
(
(
Bit Bit
(
(
(
(
(
(
CSMA/CD
(
(
(/(
(
(
(
CSMA/CA
(
(
(
(
(
(
-
Classification des Bus de Terrain On regroupe sous le terme Bus
de Terrain tous les bus (rseaux) de communication industriels On
peut classer ces rseaux suivant diffrents critres (topologie, dbit
maximum, Nombre maximum de nuds, protocoles et mthodes daccs au
mdium,) On distingue nanmoins par complexit dcroissante : Le Rseau
dUsine : Rseau Local Industriel bas sur Ethernet (MAP,TOP,
TCP/IP)Le Bus de Terrain (Field Bus) pour relier des Units
IntelligentesLe Bus de bas niveau Capteurs/Actionneurs
(Sensor/Aktor Bus)MAP : Manufacturing Automation ProtocolTOP :
Technical and Office ProtocolTCP/IP : Transfert Control Protocol /
Internet ProtocolConsidrations Techniques
-
En gnral ce rseau ne fait pas partie des Bus de Terrain mais il
est indispensable dans pratiquement tous les ateliers
industriels
Ce rseau utilise comme moyen physique l ETHERNET
Mise part des applications bureautiques, la principale fonction
de ce rseau est assurer la communication entre les quipements de
production (la messagerie), les PC de supervision et les PC de
contrle/qualit
Cest pourquoi, il est assez frquent dtendre ce rseau vers le
niveau plus bas (avec par exemple Ethernet TCP/IP)
Aujourdhui, avec des WebServeurs qui commencent apparatre dans
les quipements industriels, il est question den faire une partie
intgrale avec des Bus de Terrain (le concept WIM : WEB Integrated
Manufacturing)Rseau dUsine :Classification des Bus de Terrain
(suite) Considrations Techniques
-
Rseau - Bus de Terrain :Les Bus de Terrain ont pour tche de
relier des units intelligentes qui cooprent dans lexcution de
travaux, do des temps de raction sont plus critiques quau niveau du
rseau dusine (temps de cycle, caractre dterministe) Les temps de
raction sont de lordre de quelques dizaines de millisecondesLes Bus
de Terrain doivent permettre lenvoi des trames allant de quelques
dizaines doctets jusqu 256 octetsLes Bus de Terrain ont souvent une
hirarchie Matre-EsclaveMatre coordonne des oprations et la
communication, en interrogeant cycliquement les EsclavesCes
derniers nont donc droit parole que lorsque le Matre le leur
permetMais, si le Matre tombe en panne, plus rien ne marcheCest
pourquoi, les Bus les plus rcents (WorldFIP, Profibus, CAN,..) ont
une possibilit de passer le tmoin, jeton un autre Matre (Bus
MultiMatre) La plupart des Bus de Terrain ont la possibilit daccder
au niveau infrieur (Capteurs/Actionneurs) et aussi de couvrir une
partie du niveau suprieur (messagerie)Classification des Bus de
Terrain (suite) Considrations Techniques
-
Bus Capteurs/Actionneurs :Les Bus de bas niveau
Capteurs/Actionneurs ont pour tche de relier entre eux des nuds
intelligence limite ou nulle dont une seule tche est dlaborer les
donnes les plus lmentaires telles que les tats des entres ou des
sorties (Capteurs/Actionneurs)
Le temps de raction est primordial et ne peut pas dpasser
quelques millisecondes
Le nombre de donnes circulant sur le bus doit tre limit au
stricte minimum [trame unique, fixe, cyclique (InterBus) ou une
trame avec protocole (CAN,AS-I)]
Les distances couvrir sont gnralement moins importantes que
celles couvertes par un Bus de Terrain
Classification des Bus de Terrain (suite) Considrations
Techniques
-
TERRAIN(Capteur/Actionneur)fonctions
laborsTERRAIN(Capteur/Actionneur)fonctions simplesCELLULEBus de
Terrain(Contrle/Coordination)
Rseau dUSINE( Gestion)( Contrle Production )
Ouverture versle mondeGestion vnementsLecture/Ecriture
E/STlchargement(plusieurs octets,mots)Fonctions simples
Lecture/EcritureCapteurs/Actionneurs(bits,octet)Tches de
CtrlSupervision,Config.Communication(trames, paquets) Gestion,
CoordinationMessagerie, RoutageTransfert Fichiers
etProgrammesContrle QualitHARTAS - IINTERBUS LOOPM O D B U S / J B
U S INTERBUS C A ND e v i c e N e tP R O F I B U S D P E T H E R N
E T T C P / I P L O N W O R K S PROFIBUS FMS PROFIBUS PA FIELDBUS
Foundation World FIP Classification des Bus de Terrain (suite)
Considrations Techniques
-
Rseau AS-I (Actuator Sensor Interface) AS-I est un standard
international (la norme IEC 62026-2) pour le plus bas niveau de
rseaux dautomatismes : bus de Capteurs / ActionneursBUTS remplacer
le cblage traditionnel au niveau terrain par une paire non blinde
possibilit de raccorder des capteurs et actionneurs binaires de
diffrents constructeurs sur un bus de communication srielle
bnficier des nouvelles fonctions de capteurs/actionneurs
(diagnostic, paramtrage, maintenance automatique)simplifier et
minimiser les modifications du cblage et de la connectique
associeMatre AS-ICblage paralllebusChip ASICintgr Esclaves AS-I
-
Rseau AS-I (Principes...) PRINCIPES Support physique : 2 fils
non-blinds pour donnes et alimentation (24 V DC, 8 A)Longueur max
100m (300 m avec rpteurs)Pas de rsistance de terminaisonCble
complmentaire pour alimentation spare (noir : 24 V DC, rouge : 230
V AC)Topologie libre (bus, toile, arbre)Participants : Matre et
Esclaves (31 Esclaves maximum)Participants Esclaves : maximum 248
bits Entres/Sorties TOR4 points de connexion pour Esclave standard
(point = une entre ou sortie)8 points de connexion pour Esclave
spcifique Adressage des Esclaves par software (console de poche ou
logiciel)Entres/Sorties analogiques possiblesCble dalimentation
complmentaireCble AS-I : signaux +
alimentationEsclaveEsclaveEsclaveEsclaveEsclaveEsclaveEsclaveMatreEsclaveEsclaveAlimAS-I
Esclave
-
Rseau AS-I (Protocole...) PROTOCOLEMatre/Esclave (par polling) ,
1 Matre , 31 Esclaves maxtrame trs compacte : requte + rponse = 25
bitsTemps de scrutation du rseau complet : 5 ms pour 31
esclavesVitesse de transmission : 167 Kbit/s pour un dbit utile de
53.3 Kbit/s Appels squentiels du Matre : Interrogation des
EsclavesRponses des esclaves : Esclave interrog rpond
immdiatementcontrleurMatreAS-Ivers l'esclavevers l'esclaven+1vers
l'esclavenvers l'esclave31
-
Rseau AS-I (Cblage...) FORME DU CABLE
Cble plat dtrompeur mcaniquejaune : Interface AS-I, alimentation
incorpore, signaux superpossnoir : alimentation complmentaire 24 V
DCrouge : alimentation complmentaire 230 V DCconnecteurs prises
vampires (simple,sr, IP67)
Cble rond (blind, non blind) pour des applications
spcialesconnecteurs vismoins cherspas de boucles pour connecter
correctementcaractristiques du cble peuvent influencer lextension
du rseau
2,9 mm1.5 mm6...10 mmPrises vampires
-
Rseau AS-I (Modules standards...) **En version Z: avec
alimentation spareMODULES CONNECTABLESAS-I dfinit des spcification
(interoprabilit) et des profils (interchangeabilit). Les profils
sont identifis par le code ID (15 codes + 1 code Esclave
Libre).Exemples de profils standards : Module 4 Entres; Module 2
Entres / 2 Sorties TOR, .A ce jour il y a dans le monde plus de 160
fournisseurs de produits AS-IPour les terminaux distributeurs FESTO
(terminaux CP) :groupe de 2 distributeurs bistables ou groupe de 4
distributeurs mono-stablescombinaison de distributeurs ( dans le
limite de 4 sorties) plus 4 entres TORgroupe 8 sorties / 8 entres ,
mais avec ladressage double
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Rseau AS-I (Adressage des Esclaves...) ADRESSAGE DES MODULES
ESCLAVES
Adresse dun Esclave AS-I est un paramtre numrique entre 0 et 31
qui indique un nud (Esclave) du rseau AS-IInitialement tous les
Esclaves ont ladresse 0Lors de leur connexion successive, une
adresse doit leur tre affecte. Lattribution dadresse peut tre
ralise par le Matre AS-I ou par une console de pocheLors de
remplacement dun Esclave dans un rseau en fonctionnement, le Matre
affecte au nouvel Esclave (en supposant quil ait le mme profil)
ladresse de lEsclave remplac
IMPORTANT :
Au bout de 10 changements dadresse il ne sera plus possible den
changer son affectation. La dernire adresse sera toujours effective
!!!
-
Rseau AS-I (AS-I en automatisme) Niveau usine:Niveau terrain :
capteurs et actionneursMatre Niveau Bus de CAN DeviceNet FIP
Terrain Interbus Profibus etc.Bien que bus AS-I est un rseau de
plus bas niveau, il sintgre facilement dans la structure dun systme
de lautomatisme industriel
Il existe des cartes Matre AS-I pour PC et automates
Des passerelles permettent de relier le rseau AS-I aux autres
rseaux et Bus de Terrain
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Rseau AS-I (Rcapitulatif)AS-I est un Bus de Terrainouvert et
indpendant de constructeur, auquel participent diffrents
dveloppeurs, fabricants et utilisateurs. AS-I fait lobjet de la
norme IEC 62026.Actuellement lassociation AS-International est
compose de 165 membres. Dans la liste de produits, on retrouve plus
de 400 rfrences provenant de 160 fabricants diffrents (source
AS-International)Bien que AS-I est ddi la couche la plus basse et a
t conu pour remplacer le cblage traditionnel, lutilisation combine
avec les diffrentes passerelles (ex. Profibus DP, Ethernet,) permet
de rpondre aux besoins en automatisation de systmes.Economies
ralises par lutilisation dAS-I doivent tre values au car par
casMalgr les conomies ralises par la simplification du cblage, de
linstallation et par la suppression des cartes E/S, le systme AS-I
pourrait tre plus onreux quun cblage traditionnel :Le rseau AS-i
ncessite une carte Matre avec une liaison vers un contrleur hteLe
rseau AS-i ncessite une alimentation spcifique (transmission
dnergie et des donnes)Des cots supplmentaires peuvent tre induits
par les Esclaves intelligents Les cots dinvestissement peuvent tre
compenss par les avantages dun Bus de Terrain :la maintenabilit, le
facilit de dtection derreur et du diagnosticle paramtrage
automatique des Esclaveslvolution de linstallation et sa
rutilisationSiemens et FESTO ont dvelopp une nouvelle gnration de
chips AS-I (AS-I version 2) qui permet de rsoudre certaines limites
de la version Standard (ex. 61 Esclaves, E/S analogiques,..) Pour
la gamme automates FESTO nous avons les Matres AS-I : PS1-CP96 et
SF3
-
Rseau AS-I (Rsum de la Version 2.1)Module AS-I version 2.1 a t
dvelopp pour avoir des fonctionnalits supplmentaires sur le mme
cble standard AS-I (jaune)Applications existantes sont supportes
par ce nouveau module (v.2.1), cest--dire, le nouveau Matre peut
communiquer avec les vieux EsclavesPar contre, pour exploiter les
nouvelles fonctions AS-I v.2.1 il faut utiliser le nouveau Matre et
les nouveaux Esclaves ( mais les vieux sont aussi supports avec
leurs fonctions standards)Les temps de scrutation des esclaves
(temps cycle) restera 5 ms , condition dutiliser les vieux esclaves
ou les nouveau Esclaves-A (max. 31)Pour des modules v.2.1, le temps
de scrutations est 10 ms pour 62 EsclavesLes nouvelles
fonctionnalits de AS-I v.2.1 jusqu 62 Esclaves pour un Matre
connexion plus simple pour des esclaves analogiques diagnostics
plus dtaill
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Rseau AS-Iv.2.1 (Principe de fonctionnement)Une adresse peut tre
affecte aux 2 esclaves : Esclave-A et Esclave-B (ex. 14A et
14B)
Dans le premier cycle de scrutation le matre interroge des
Esclaves A, et dans le cycle suivant, tous les Esclaves B
Le rseau peut fonctionner avec des Esclaves A seulement (sans
Esclaves B) ou avec des Esclaves B uniquement
Un Esclave v.2.1 peut tre programm comme A ou B par
lutilisateur
Un Esclave en cours est slectionn par un bit de sortie (Select
Bit)
Cest pourquoi, il est techniquement possible dutiliser des
Esclaves suivants: 4 E , 2 E / 2 S, 3 E / 1 S, 1 E / 3 S, 4 E / 3
Smais on ne peut pas utiliser lEsclave 4 E / 4 S
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Rseau AS-I v.2.1 (Protocole...) Cycle N : Matre interroge
esclaves A MatreContrleurEsclave 1A Esclave 2A Esclave 31A Esclave
1B Esclave 1B Esclave 31A Esclave 2A Esclave 1A Esclave 2B Esclave
2B Cycle N : Rponse immdiate Esclaves A Cycle N+1 : Matre interroge
Esclaves BCycle N+1 : Rponse immdiate Esclaves BScrutation de 62
Esclaves (Esclaves A/B)
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Rseau AS-I v.2.1 (Diagnostic...) Distinction entre des erreurs
de communication et des erreurs du matriel
Erreurs du matriel sont signales par une LED sur lesclave (ex.
court-circuits sur un cble priphrique, dfaut du capteur,...)
Erreurs du matriel de chaque esclave peuvent tre values par le
contrleur, le hte du Matre
Avantage : localisation prcise de dfauts, maintenance
simplifie
Indication des erreurs de communication (ex. Esclave avec une
adresse 0, double adressage,..)
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Rseau AS-I v.2.1 (E/S analogiques...) Pour AS-I standard, 3 bits
dinformation sont transfrs par cycle - alors, le traitement de la
valeur analogique doit tre ralis par le software dutilisateur Pour
AS-I v.2.1, une valeur analogique est transmise comme une donne
binaire Elle est automatiquement dtecte et traite par le Matre
v.2.1Avantage : la valeur analogique (16 bits) est directement et
sans dlais disponible pour le contrleur,sans traitement
supplmentaireLes protocoles de transmission ont t normaliss par
AS-International (profiles S7.3 ou S7.4) et sont tous compatibles
TempraturePressionNiveau etc.DA
Matre V 2.1Esclave Binaire 16 bitstransfert via
AS-InterfaceBinaire16 bitsanalogiquecontrleurEsclave
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Rseau AS-I v.2.1
Version 2.0
Version 2.1
Nombre Esclaves
max. 31
max. 62
Nombre E/S
124 E+124 S
248 E + 186 S
Signaux
Data et alimentation max 8 A
Data et alimentation max 8 A
Mdium
Cble non blind 2x1.5 mm
Cble non blind 2x1.5 mm
Max. Temps cycle
5 ms
10 ms
Traitement valeur analogique
via block fonctionnel
Intgr dans Matre
Nb. de valeurs analogiques
16 bytes pour valeurs binaires et analogiques
124 valeurs analogiques
Procedure daccs
Master/Slave
Master/Slave
Longueur Cble
100m, extension via repeater
100m, extension via repeater
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Rseau (Bus) CAN Rseau (Bus) CAN (Control Area Network) a t
dvelopp (1985) par les socits Bosch et INTEL ; lobjectif tait de
fournir lindustrie automobile un bus peu coteux mais performant qui
peut tre embarqu dans une voiture (automobile)CAN est reconnu comme
un bus de terrain par les standards internationaux ISO 11519 et ISO
11898 (applications haut dbit)CAN est un bus de communication srie
qui respecte le modle ISO/OSI au niveau de couches 1,2 ; la
spcification de la couche 7 (Application) est laisse lutilisateur ;
Contrleurs CAN sont des circuits de bon march(!!) et sont
aujourdhui disponibles chez la plupart des fabricants de composants
lectroniques (Hitachi, Motorola, Philips, Siemens, NEC, NS,
Toshiba,)Grce ces performances et des cots de composants trs bas,
CAN remplace de plus en plus les interfaces standards telles que
RS-232 et RS-485 Les contrleurs CAN sont trs souvent utiliss pour
des liaisons internes aux systmes dautomatismes et sont, de ce
fait, souvent dissimuls aux utilisateurs (exemple : modules CP
Economy FESTO) CAN simpose aussi de manire croissante dans le march
des bus de terrain classiques ; les spcifications propritaires sont
de plus en plus remplaces par des protocoles standardiss et ouverts
tels que : CANOpen (CiA), DeviceNet (Rockwell Automation), SDS
(Honeywell)CAN connat un essor trs important (source CiA) :11
millions de nuds en 1996170 millions en 2001
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Rseau (Bus) CAN Bus CAN a t dvelopp initialement pour lindustrie
automobile mais sa robustesse et lefficacit du protocole lont amen
tre utilis dans de nombreuse autres applications industrielles, en
particulier celles ncessitant les dbits levs (1 Mb/s) avec un trs
faible taux derreurs (automatisme, contrle)
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Rseau (Bus) CAN (caractristiques principales)Gestion des couches
1 et 2 du modle ISO/OSITopologie de bus, connexion de type
multipoint par OU cbl (connecteur SUB-D 9 points)Transmission
synchrone sur paire torsade, fibre optiques ou liaison
infrarougeDbit maximum de 1 Mbit/s pour une longueur de 40 m
Communication multimatre et mthode daccs au support par
comptition systme darbitrage CSMA/CD+AMP (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Detection and Arbitration on Message
Priority)arbitrage sur le champ didentificateur de la trame
(message)bit dominant = 0bit rcessif = 1lidentificateur de la trame
donne sa prioritValeur didentificateur faible = priorit forteLa
trame de plus forte priorit est toujours transmise
Dtection derreur et retransmission automatiqueGestion de
messages prioritairesGaranties de dlai pour des application de type
temps rel
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Rseau (Bus) CAN (couche physique)Contrleur CANContrleur
CAN120120CAN_HCAN_LCAN_HCAN_L5 V2,5
VRcessifRcessifDominant110tLigne de busConnexion des stations sur
CANUn nud CAN (ISO 11898)Signaux ISO 118981,5 V3,5 VPrincipe du OU
cbl
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Rseau (Bus) CAN (couche physique)Spcification CAN autorise aussi
lutilisation de transmission infrarouge ou transmission radio entre
deux nuds CAN Dans les deux cas, la transmission seffectue via des
passerelles spcifiques
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Rseau (Bus) CAN (couche liaison: principes de communication)CAN
propose deux modles (protocoles) de communication :Modle Producteur
- Consommateur (Broadcast Communication)Modle Requte - Rponse
(Remote Request)
Pour ces deux modles, CAN prvoit diffrents types de trames :DATA
FRAME : trame de donnesREMOTE FRAME : trame dune requte de demande
dmission de donnes par un nud ERROR FRAME : trame dun message
derreur
Protocoles CAN prvoient deux services de communication :WRITE
OBJECT : service de transmission de DATA FRAME dun nud (producteur)
vers un ou plusieurs nuds rcepteurs (consommateurs)READ OBJECT :
demande de donnes REMOTE FRAME envoye par un ou plusieurs nuds
consommateurs
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Rseau (Bus) CAN (couche liaison: Modle Producteur-Consommateur)
Chaque station du rseau est lcoute des messages Quand la station
Producteur (ici la station 2) envoie une trame, chaque nud dcide si
le message peut tre accept ou non; le filtrage (Acceptance
Filtering) est implment dans chaque nud CAN Si le message est
accept, il est transfr vers lunit de traitement du nud CANAnalogie
lmission radio Trafic Info; on prend en compte ou non
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Rseau (Bus) CAN (couche liaison: Modle Requte-Rponse (Remote
Request) ) Le nud (Consommateur) qui demande de donnes envoie une
demande (Remote Transmission Request)Le nud qui a la rponse
(Producteur) envoie la rponse avec des donnesCette rponse peut tre
aussi accepte (consomme) par les autres nuds-consommateurs qui sont
intresss par ces donnesLes donnes (objet) sont identifies par
Identificateur , un champ spcial de la trame CAN
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Rseau (Bus) CAN (couche liaison: Services de Communication) Le
modle Producteur-Consommateur utilise le service WRITE OBJECT pour
transfrer une trames de donnes (DATA FRAME) dun nud (Producteur)
vers un ou plusieurs nuds (Consommateurs)Ceci nimplique pas que ces
donnes seront acceptes par tousLe modle Requte-Rponse utilise le
service READ OBJECT pour envoyer une demande dun ou plusieurs
consommateursLa trame utilise est appele REMOTE FRAMELe nud qui a
la rponse (Producteur) envoie la rponse avec des donnes : trame
DATA FRAME
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Rseau (Bus) CAN (couche liaison: Trames CAN) La trame DATA FRAME
est gnre par un nud Producteur qui dsire de transfrer les donnes,
ou comme une rponse la requte dun autre nud (Service Remote
Request) Cette trame peut transporter jusqu 8 octets de
donnesLidentificateur dans le champ darbitrage dfinit le type de
donnes envoyesCAN Spcification 2.0 B dfinit deux types de DATA
FRAME :Standard DATA FRAME : Champ darbitrage 12 bits; possibilit
dadresser 2032 nuds en thorieExtended DATA FRAME : Champ darbitrage
32 bits; possibilit dadresser 536870912 nuds en thorie
La trame REMOTE FRAME est gnre par un nud consommateur,
demandeur de donnes (Service Remote Request) Lidentificateur dans
le champ darbitrage dfinit le type de donnes demandesLe nud
producteur de ce type de donnes envoie en rponse une trame DATA
FRAME avec donnes et le mme Identificateur dans le champs
darbitrage CAN Data FrameCAN Remote Frame
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Rseau (Bus) CAN (couche liaison: Structure de trames CAN) SOF :
Start Of Frame : bit pour une synchronisation hardware de tous les
nuds, suivie par le champ darbitrageRTR : Remote Transmit Request :
distinction entre DATA FRAME (RTR=0=dominant) et REMOTE FRAME
(RTR=1)SRR : Substitute Remote Request : complment du RTR dans
Extended FrameIDE : Identifier Extension : bit dominant pour
Standard Frame et rcessif pour Extended Frame, la trame standard
est toujours prioritaire en cas de collision avec une Extended
Framer0,r1 : bits dominants, rservsDLC : taille des donnes en
octets (4 bits) : 0 8 octetsCRC : Cyclic Redundancy Check : code de
contrle CRC-15 complt par un bit rcessifACK : ACKnowledge :
acquittement de la trame (2 bits dont 1 rcessif)EOF : End Of Frame
: 7 bits rcessifsINT : InterMission : 3 bits rcessifs , pause
inter-trames
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Abandon Nud 1Abandon Nud 2Rseau (Bus) CAN (couche liaison: accs
au bus, arbitrage CSMA/CD+AMP)
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Rseau (Bus) CAN (couche application)La couche Application nest
pas explicitement dfinie dans le standard CAN Diffrents types de
spcifications de cette couche pour CAN existent actuellementCes
spcifications sont gres par CiA (CAN in Automation
group)Organisation base Erlangen en AllemagneGroupement
dindustriels et utilisateursBut : fournir des information, la
technique, des produits, du marketing et promouvoir CANSupporte
diffrentes couches application pour CAN
CAL : CAN Application Layer Spcification maintenue par CiA et
peut tre obtenue gratuitement, sans royalties CiA DS-201 .. 207,
bibliothque en C
CANopen : version simplifie du CAL, supporte par CiA
DeviceNet : version dveloppe par Rockwell/Allen Bradley Licence
acqurir au pralablePas de royaltiesApprouv par le CiA et support
par ODVALa couche applicative est porte sur Ethernet TCP/IP (projet
Ethernet/IP)
SDS (Smart Distributed System) : version dveloppe par
HoneywellPas de royaltiesApprouv par le CiA
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ETHERNET comme Bus de Terrain
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ETHERNET comme Bus de Terrain Les utilisateurs ont toujours
besoin de plus de performance pour faire transiter plus de donnes
dans un temps toujours plus court; De plus, ils ont besoin daccder
aux quipements de terrain depuis des outils banaliss Ils ont aussi
besoin dinterconnecter plus dquipement, toujours plus distants les
uns des autres
Aujourdhui, les technologies informatiques grand public sont
devenues presque aussi fiables que les rseaux locaux industriels.
Do, une grande tentation dutiliser ETHERNET (une technologie
banalise, performante, fiable et peu onreuse) comme un rseau de
communication industrielle
ETHERNET avait dj ses dbuts dans la communication industrielle
(rseaux FACTOR, SINEC H1, LAC, ARLIC), mais cest aussi un rseau qui
a bien chang :hauts dbits (100 Mbits/s, 1 Gbits/s,..) aux cot
basTCP/IP : protocoles banaliss, ouverts et omniprsents qui
permettent de connecter immdiatement tout et partoutcouche physique
amliore, structures en toile trs fiablesspcifications
publiques,outils nombreux et compatibilit directe avec les
solutions informatiques de gestion,commutateurs et lautre quipement
qui augmente les performances du rseau, Finalement, ETHERNET
commence tre incontournable pour raliser des applications
dautomatisation rparties l, o les flux de donnes ne cessent de
crotre
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ETHERNET comme Bus de Terrain ETHERNET est diffrent par rapport
aux Bus de Terrain classiquesLa plupart de Bus de Terrain
(Profibus, Devicenet, CAN, AS-I) ont une structure en bus base sur
un cble continues qui ncessite une rsistance de terminaison ou un
faible dbit (AS-I)InterBus utilise une structure en anneau ; si
lanneau est coup, le rseau ne fonctionne pasLa mise en route
demande toujours les tests de continuit du cblage
ETHERNET utilise une topologie en toile qui facilite la dtection
des erreurs du cblage car la fonction de vrification de connexion
est intgre dans les hubs (LINK-LED)
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ETHERNET : dimension du rseau 100m100m100m
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ETHERNET et temps rel Ethernet temps Rel en automation ncessite
toujours lutilisation de rseaux spars :cblage spar utilisation des
switches et des routers
Temps rel avec Ethernet est possible par:utilisation du principe
Master/Slave utilisation du token passing(jeton)limitation du
trafic sur rseau < 50%
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ETHERNET comme Bus de Terrain (contre)Poins faibles :Cblage est
souvent trs complexe et onreux (hub, commutateurs
(switches),.)Connectique non adapte au milieu industriel ( RJ45 vs
M12, tanchit ?, scurit intrinsque ? )Scurit daccs au rseau non
assurContraintes temporelles non garanties (mme avec des
commutateurs)Ncessit dimplmenter un algorithme de synchronisation
pour lhorodatage de donnesFaible efficacit : il faut 1000 bits pour
envoyer un mot de 16 bits (200 CAN, 451 ProfiBus)Absence de
tl-alimentation intgre De plus :Protocoles TCP/IP ne sont pas
adapts aux contraintes industrielles :Pile de protocoles
volumineuse et traitement associs complexesquel adressage : IPv4 ou
IPv6 ?Pas de prise en compte du tempsPour aujourdhui, pas de couche
Application disponible aujourdhui ETHERNET est une technologie
utilisable dans le milieu industriel, sous certaines
conditionsETHERNET peut tre utilis pour de transfert de donnes dans
des applications non contraintes par le tempsAssociation dETHERNET
avec Internet est possible, mais ne permet pas dobtenir les qualits
demandes aux rseaux de terrain
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ETHERNET INDUSTRIEL : alternative un Bus de Terrain Plusieurs
alternatives existent et saffrontent dans le domaine dEthernet
Industriel :Initiative EtherNET/IP de RockwellProjet PROFINET de
SiemensSpcification HSE (High Speed Ethernet) de Fieldbus
FoundationInitiative IDA de Schneider Electric et Phoenix
ContactMODBUS TCP
Deux grandes catgories de solutions techniques :Solutions qui
encapsulent les donnes dans une trame ETHERNET ou dans un paquet
TCP/IPSolutions qui utilisent des passerelles ou serveurs proxy
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ETHERNET INDUSTRIEL : alternative MODBUS TCP MODBUS TCP est bas
sur le protocole TCP Toutes les requtes sont envoyes vers le port
502 de la station esclaveLe dialogue se fait en mode Half
DuplexOctet Slave Addresse est remplac par Unit IdentifierLes
CRC-16 (ou LRC) ne sont pas ncessaires, le contrle est fait au
niveau de la trame EthernetChaque reqte et rponse sont prcdes par 6
octets de lentte :TrID TrID 00 00 00 Len UID CodeFon Exemple :
Fonction 3 : Lecture N mots (Read Multiple Registers)00 00 00 00 00
06 UID 03 AdrPF Adrpf 00 NbM