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LELASSEUX Philippe
Introduction aux Réseaux Locaux Industriels
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Les Réseaux Locaux Industriels Les Réseaux Locaux Industriels
Réalités et PerspectivesRéalités et Perspectives
1
5 Avril 2001
INTRODUCTION AUX RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS
Présenté par Philippe LELASSEUX
Enseignant-Chercheur
à l ’IUT GEII de Brive Option RLI
LELASSEUX Philippe
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Réalités et PerspectivesRéalités et Perspectives
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5 Avril 2001
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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5 Avril 2001
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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5 Avril 2001
M
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I) Définir le Bus de TerrainBUS DE TERRAIN = Réseau de Communication Numérique
reliant différents types d ’équipements d ’automatisme
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BUT INITIAL:
Remplacement des boucles
de courant 4-20 mA
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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 ETHERNET
Un PC Industriel sert de passerelle entre le réseau informatique et le bus de terrain
• BUS DE TERRAINRelie des unités intelligentes qui coopèrent
Temps de réaction de quelques millisecondes
Communication de type Maître/Esclaves ou MultiMaîtres
Possibilités 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 rapide
Communication 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
CAN
PROFIBUS-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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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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5 Avril 2001
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
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3
2
1
PRESENTATION
SESSION
TRANSPORT
RESEAU
LIAISON
PHYSIQUE
SUPPORT 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
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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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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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2
1
PRESENTATION
SESSION
TRANSPORT
RESEAU
LIAISON
PHYSIQUE
TELNET,FTP,WEB7
6
5
4
3
2
1
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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5 Avril 2001
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