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 ?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Bus de Terrain : Techniques daccs au mdium Accs par larbitrage bit bit CSMA/CD+AMP (exemple: bus CAN)Abandon Nud 1Abandon Nud 2

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

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TDMA

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JETON

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Producteur Consommateur

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CSMA/CD

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CSMA/CA

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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

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

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

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

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)

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,..)

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Abandon Nud 1Abandon Nud 2Rseau (Bus) CAN (couche liaison: accs au bus, arbitrage CSMA/CD+AMP)

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

ETHERNET comme Bus de Terrain

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

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)

ETHERNET : dimension du rseau 100m100m100m

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%

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

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

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