Considérations Techniques

1. Considérations Techniques Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ? • TERRAIN : un endroit, l’espace ou quelque chose de limité géographiquement (atelier, usine, voiture,…) • BUS (au sens informatique industrielle) : conducteur ou ensemble de conducteurs communs à plusieurs circuits permettant l’échange de données entre eux • RESEAU : ensemble de lignes de communication permettant l’échange de données (informations) entre les différents systèmes éloignés

2. Considérations Techniques Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ? • Terme générique d’un Réseau de Communication Numérique dédié aux systèmes de l’automatisme industriel • Réseau de communication numérique entre équipement industriel déporté • Réseau Local Industriel reliant différents types d’équipement d’automatisme : • Entrés / Sorties déportées • Capteurs / Actionneurs • Automates Programmables • Variateur de vitesse • Terminaux IHM(Interface Homme-Machine) • Calculateurs

3. Considérations Techniques Pourquoi le Bus de Terrain ? • BUT INITIAL - REDUCTION DU CABLAGE : • distribution (décentralisation) de l’acquisition des données du process • remplacement des boucles analogiques de courant 4 - 20 mA • la communication par le bus permet d ’échanger des données qui sont difficilement transmissibles autrement (ex.données numériques) • MAIS AUSSI : • Distribution (décentralisation) du contrôle-commande, du traitement des alarmes, diagnostic au différents équipements de terrain • Intelligence déportée au niveau de ces équipements • l ’échange des données par des mécanismes standards (protocoles) • Interopérabilité (systèmes ouverts)

4. Considérations Techniques Bus de Terrain : Conséquences immédiates. • DIMINUTION DES COÛTS • un bus de terrain réduit les coûts d’installation jusqu ’à 40 % • réduction massive du câblage, (moins de « filasse ») • simplification de la mise en service • simplification et réutilisation possible du câblage existant • AUGMENTATION DE L’EFFICACITE • précision, • flexibilité d ’extension et raccordement de modules divers sur une même ligne • formalisation des échanges des données entre équipements • étendu des domaines d ’application • disponibilité d ’outils de mise en service et diagnostic (localisation des pannes) • AUGMENTATION GLOBALE DE LA QUALITE

5. Considérations Techniques Bus de Terrain : Conséquences immédiates.Exemple en domaine Industrie de Process Ex Réalisation classique 4-20 mA : - une barrière I.S et un câble pour chaque capteur / actionneur (il manque encore alimentation électrique et les signaux de synchronisation !) Réalisation Bus de Terrain : - une seule barrière I.S et un seul câble pour l’ensemble d’équipement Isolation de sécurité

6. Considérations Techniques Avantageset limite ... • REDUCTION DES COÛTS INITIAUX (Engineering) • réduction massive du câblage et du matériel nécessaire à l’installation : • un seul câble en général pour tous les équipements au lieu d’un par équipement • le nombre de câbles et de répartiteurs nécessaires diminue, de même que le volume des armoires • réduction du temps d’installation et de la mise en service • réduction des erreurs de montage grâce aux câbles pré-confectionnés • dans certains cas, la possibilité de réutiliser le câblage existant

7. Considérations Techniques Avantageset Inconvénients ... • REDUCTION DES COÛTS DE MAINTENANCE • Complexité moindre donc moins de maintenance; fiabilité accrue • Outils de test et de paramétrage dédiés (analyseurs, configurateurs,…) • Maintenance plus aisée : • réduction du temps de dépannage • localisation des pannes plus facile grâce aux fonctions de diagnostic en ligne • possibilités de télé-diagnostic, télé-dépannage, télé-configuration • Flexibilité pour l’extension du bus de terrain et pour le raccordement des nouveaux participants

8. Considérations Techniques Avantages etLimites • CONNAISSANCES SUPERIEURES(liés au fait de devoir accéder à une nouvelle technologie) • Compétences rares : la maîtrise des réseaux de communication industrielle demande une formation spécifique • Topologie, fonctionnement et accès au bus : conflits, arbitrage, protocoles, … • Sécurité des informations transportées : gestion des erreurs • Supports physiques • ABSENCE DE NORMALISATION au niveau international(la norme IEC 61158 est un échec) • CHOIX ENTRE SOLUTIONS PROPRIETAIRES ET STANDARDS(Solution « Bus de terrain » reste toujours une solution « standard propriétaire ») • INVESTISSEMENT en équipements et accessoires(monitoring, maintenance : coûts apparemment supérieurs) • MANQUE d ’INTEROPERABILITE TOTALE (passerelles obligatoires) • entre les différents réseaux • entre les différents niveaux d ’automatisme • même parfois au sein d’une technologie donnée : ex.CAN

9. Considérations Techniques Bus de Terrain et le Modèle OSI Utilisateur 7 6 5 4 3 2 1 Application … … … … LLC MAC Physique Application … … … … LLC MAC Physique 7 6 5 4 3 2 1 Supervision Réseau Standard ISA / SP50 Standard de fait • Un Bus de Terrain est basé sur la restriction du modèle OSI à 3 couches : • Couche 1 : Physique • Couche 2 : Liaison de Données • Couche 7 : Application • Couches 3 à 6 sont vides car il n’y a pas besoin d’interconnexion avec un autre réseau (gain de performance) • Cette modélisation est respectée par les standards de fait et internationaux !!!!

10. Considérations Techniques Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 2 : Liaison • Couche Liaison MAC ISA/SP50 : arbitrage et accès au médium : • Le principe Maître - Esclave • Un nœud MAÏTRE actif • Plusieurs nœud Esclaves qui ont le droit seulement de répondre au Maître • Accès au médium par le polling avec jeton : on peut avoir plusieurs Maîtres déclarés mais seul le maître ayant le jeton est le MAÎTRE ELU pour interroger les nœuds esclaves (pas de contention) • Chaque trame contient les adresses SOURCE et DESTINATION • Il existe le code CRC 16 bits pour la détection des erreurs de données • 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 commandes • MESSAGE DE FOND (« BACKGROUND ») : fort volume, temps non critique, pour le diagnostic, configuration,... Utilisateur Application … … … … LLC MAC Physique 7 6 5 4 3 2 1 Supervision Réseau

11. Considérations Techniques Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 7 : Application • Couche Application ISA/SP50 définit deux types de connexion : • Modèle CLIENT / SERVEUR : pour le transfert acyclique de données (fort volume) entre deux applications (rapports, gestion,..) • Modèle PRODUCTEUR / CONSOMMATEUR («Publisher/Subscriber») : pour le transfert cyclique de données (faible volume) entre deux applications (contrôle - commande, état capteurs / actionneurs, ….) • BUS DE TERRAIN ISA / SP 50 EST EN COURS DE NORMALISATION (FF, ISA, CEI) • couche liaison adoptée en 1997 • premières réalisations : WorldFIP, FIELDBUS FOUNDATION, HART • PROFIBUS (bien que dissident de ce groupe de normalisation) converge vers cette norme Utilisateur Application … … … … LLC MAC Physique 7 6 5 4 3 2 1 Supervision Réseau

12. Considérations Techniques Bus de Terrain : Les Supports Physiques • L’utilisation des supports physiques dépend de la distance entre les stations et de l ’environnement dans lequel sera installé le support • Les CABLES : • - Paire torsadée (blindé ou non ) • - Câble coaxial • - Câble électrique (courant porteur ) • - Fibre optique • AUTRES : • - Ondes hertziennes (radio) • - Par infra-rouges • - Par laser

13. Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie • La Topologie est la manière dont les équipements d’un réseau sont reliés entre eux par le support physique . • Les quatre différentes topologies possibles sont : • Anneau (« Ring ») • Etoile (« Star »), • Bus, • Arbre (« Tree »)

14. Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie (suite) HUB Topologie en ANNEAU Topologie en ETOILE • Nœud Central : Cette configuration est caractérisée par un nœud centrale (HUB) auquel chaque station est reliées • Le HUB doit assurer la connexion à travers du réseau • Le transfert de l’information s’effectue en mode « point - à - point » • En cas de panne du HUB, l’ensemble du réseau est hors service !!! • L’extension possible en fonctionnement mais limitée par la capacité du HUB • Plus de câbles et manque de souplesse ; il faut une liaison supplémentaire pour chaque station rajoutée • La gestion du réseau est plus simple et plus économique • Chaque station est raccordée à un câble constituant une liaison physique commune en forme d’une boucle ou circuit fermé • Communication unidirectionnelle : Le transfert de l’information se fait dans un seul sens, le long du support de transmission • L’anneau est une structure active , les signaux sont régénérés au passage dans chaque nœud • Problèmes si un nœud en panne; la rupture de l’anneau paralyse le trafic sur le réseau • Extension impossible en fonctionnement HUB : Host Unit Broadcast (unité de diffusion vers les hôtes)

15. Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie(suite) Topologie en ARBRE Topologie en BUS • Topologie en BUS : • Dans cette configuration chaque nœud est raccordé à un câble constituant une liaison physique commune • Le transfert de l’information s’effectue en mode « multipoint » • Tout message transmis emprunte le même câble pour atteindre les différents nœuds • Cette organisation permet de réduire le nombre de connexions • Une défaillance d’un nœud n’interrompe pas la communication entre les autres nœuds • Extension aisée • Elle est la plus largement répandue à l’heure actuelle. • Topologie en ARBRE : • Compromis entre les 3 topologies précédentes

16. Considérations Techniques Quelques définitions • Modèle Maître - Esclave : Un Maître interroge cycliquement ses Esclaves • Maître : Station qui peut prendre de sa propre initiative, le contrôle du support de transmission pour émettre, sans attendre d ’autorisation • Esclave : Station qui ne peut pas prendre, de sa propre initiative, le contrôle du support pour émettre, elle doit attendre une autorisation pour le faire. Elle émet à la demande du Maître. • Modèle Client - Serveur : Le Client envoie des requêtes en direction du Serveur qui répond en renvoyant les données demandées (communication point-à-point entre appareils présents sur le Bus de terrain) • Client :Le processus (une station) qui prend l’initiative de communication • Serveur :Le processus (une station) à l’écoute d’une demande de service en provenance d’un processus (station) Client • Modèle Producteur - Consommateur : La station qui émet (Producteur), envoie une information reconnue par son identificateur. Toutes les stations qui utilisent cette donnée (Consommateurs) peuvent la lire en même temps (communication enregistrée de type diffusion) • JETON : un message particulier que l ’on passe de station en station. • La station qui veut émettre doit être en possession du jeton. • Une fois l’émission terminée, la station remet le jeton dans le circuit (envoie vers la station suivante)

17. Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium et d’échange de données • C'est la sous-couche MAC (couche 2) qui réalise la gestion des accès sur le médium, et le protocole qui en définit les règles d’échange d ’information. • Il existe plusieurs techniques d'accès qui sont indépendantes du type de topologie, mais deux méthodes essentielles peuvent être distinguées : • méthodes d ’accès par ELECTION (accès centralisé) • la gestion de l ’accès est confiée à un arbitre fixe (Maître ou Arbitre de Bus) • L ’accès par COMPETITION (accès aléatoire) • chaque station peut émettre, dès qu ’elle le désire, ce qui implique un risque de conflit d ’accès avec les autres stations et des procédures de résolution de ces conflits • Les techniques d ’accès les plus connues : • Par « Polling » (E) • Par multiplexage temporel (TDMA) (E) • Techniques d’accès par jeton (E) • Modèle « Producteur - Consommateur » (E) • Arbitrage « Bit à Bit » avec le bit dominant (Binary Countdown) (C) • Accès aléatoire (CSMA/CD, CSMA/CA) (C)

18. Considérations Techniques Modèle Producteur/Consommateur (ex. WorldFIP) Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Station 2 Produits ID : 09 Consom ID: 08,10,12 Station 1 Produits ID : 12 Consom ID: 07 Station 3 Produits ID : 10 Consom ID: 07,09,12 Station 7 (Arbitre de Bus) Table de Scrutation Liste ID : 07, 08, 09, 10, 12 Station 6 Produits ID : 07 Consom ID: 09,10 Station 4 Produits ID : Consom ID: 09,10,12 Station 5 Produits ID : 08 Consom ID: 07,09,12 • Repose sur un mécanisme de diffusion (Broadcasting) et le contrôle d ’accès est géré par une fonction centralisée appelée « Arbitre de Bus» implantée dans une station dédiée • Les stations peuvent être définis comme PRODUCTEURS ou CONSOMMATEURS d ’informations. • Une information (variable) est produite par UN SEUL producteur et est référencée par un IDentificateur unique • Arbitre de Bus prélève dans la table de scrutation un identificateur ID et l ’émet sur le réseau • Station qui se reconnaît comme producteur de cette variable, diffuse immédiatement la réponse contenant la valeur de la variable • La réponse est reçue par toutes les stations et est exploitée uniquement par les consommateurs de la variable

19. Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Accès par l’arbitrage Bit à Bit « CSMA/CD+AMP» (ex. bus CAN) • Lorsque le bus est libre, n’importe quel nœud (station) peut commencer à transmettre l’information en émettant l’entête de trame • L’entête contient l’IDENTIFICATEUR de 11 bits spécifiquement associé à cette information; l’arbitrage ne concerne que cet identificateur. • Le protocole spécifie des bits DOMINANTS (bits à 0) et RECESSIFS (bits à 1) dans l’identificateur • Lorsque deux nœuds tentent d’accéder simultanément au médium, les bits récessifs de l’identificateur d’un nœud sont masqués par les bits dominants de l’identificateur plus prioritaire de l’autre nœud. • Chaque émetteur écoute le bus et bascule en réception dès qu ’il détecte un bit dominant alors qu ’il envoie un bit récessif • Le nœud dont l’identificateur avait la plus haute priorité (c’est-à-dire celui dont l’identificateur est le plus faible) « gagne » l ’arbitrage et accède ainsi au bus • Son information est envoyée sans perte de temps • Le nœud qui a perdu l’arbitrage tente à nouveau un accès au bus dès que le bus se libère; l’arbitrage n’est donc pas destructif • Efficacité importante, accès multiples possibles, Déterministe • Mais : le temps de propagation des signaux doit être très petit par rapport à la durée d’un bit (bit time) car chaque nœud doit réagire pendant ce temps (bit time) • Cette méthode est appelée Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority

20. Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Accès par l’arbitrage bit à bit « CSMA/CD+AMP » (exemple: bus CAN) Abandon Nœud 2 Abandon Nœud 1

21. Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Accès aléatoire par compétition CSMA CSMA : Carrier Sense Multiple Access (Ecoute porteuse, accès multiple) Émission simultanée : (1)-->(3) et (4)-->(2) Station 1 Station 2 Station 3 Station 4 • Dans la méthode CSMA plusieurs stations peuvent tenter d’accéder simultanément au support (Multiple Access) • Ceci impose pour chaque station l’écoute et la détection du signal sur le réseau (Carrier Sense). • Chaque trame qui passe par le réseau est lue par toutes les stations. Si l’adresse de destination correspond à celle de la station, la trame est envoyée vers la couche supérieure, sinon elle est rejetée. • Une station ayant des trames à émettre teste la présence du signal sur le bus. • Si le bus est libre, elle transmet la trame. • Sinon (une autre station est en train d ’émettre) elle diffère son émission • Cette technique n ’évite pas les collisions, deux stations peuvent envoyer une trame simultanément. En cas de collision les trames sont altérées, donc perdues. • La méthode CSMA/CD prévoit une détection des collisions (Collision Detection). Une fois la trame émise, la station écoute le support pendant un temps (double temps de propagation). • Au bout de ce temps, deux cas peuvent se présenter • la trame émise n’est pas altérée, il n’y a pas eu de collision ; la station peut poursuivre sa transmission • la station détecte une trame altérée, il y a eu collision ; la station reprend la transmission après un temps d’attente aléatoire

22. Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium (Récapitulatif)  : bon  : OK (à condition que…)  : mauvais

23. Considérations Techniques Classification des Bus de Terrain MAP : Manufacturing Automation Protocol TOP : Technical and Office Protocol TCP/IP : Transfert Control Protocol / Internet Protocol • On regroupe sous le terme « Bus de Terrain » tous les bus (réseaux) de communication industriels • On peut classer ces réseaux suivant différents critères (topologie, débit maximum, Nombre maximum de nœuds, protocoles et méthodes d ’accès au médium,…) • On distingue néanmoins par complexité décroissante : • Le Réseau d’Usine : Réseau Local Industriel basé sur Ethernet (MAP,TOP, TCP/IP) • Le Bus de Terrain (Field Bus) pour relier des Unités Intelligentes • Le Bus de bas niveau Capteurs/Actionneurs (Sensor/Aktor Bus)

24. Considérations Techniques Classification des Bus de Terrain (suite) Réseau d’Usine : • En général ce réseau ne fait pas partie des « Bus de Terrain » mais il est indispensable dans pratiquement tous les ateliers industriels • Ce réseau utilise comme moyen physique l ’ ETHERNET • Mise à part des applications bureautiques, la principale fonction de ce réseau est assurer la communication entre les équipements de production (la messagerie), les PC de supervision et les PC de contrôle/qualité • C ’est pourquoi, il est assez fréquent d’étendre ce réseau vers le niveau plus bas (avec par exemple Ethernet TCP/IP) • Aujourd’hui, avec des WebServeurs qui commencent à apparaître dans les équipements industriels, il est question d ’en faire une partie intégrale avec des Bus de Terrain (le concept WIM : WEB Integrated Manufacturing)

25. Considérations Techniques Classification des Bus de Terrain (suite) Réseau - Bus de Terrain : • Les « Bus de Terrain » ont pour tâche de relier des unités « intelligentes » qui coopèrent dans l’exécution de travaux, d ’où des temps de réaction sont plus critiques qu’au niveau du réseau d’usine (temps de cycle, caractère déterministe) • Les temps de réaction sont de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes • Les Bus de Terrain doivent permettre l’envoi des trames allant de quelques dizaines d’octets jusqu’à 256 octets • Les Bus de Terrain ont souvent une hiérarchie « Maître-Esclave » • Maître coordonne des opérations et la communication, en interrogeant cycliquement les Esclaves • Ces derniers n ’ont donc droit à parole que lorsque le Maître le leur permet • Mais, si le Maître tombe en panne, plus rien ne marche • C ’est pourquoi, les Bus les plus récents (WorldFIP, Profibus, CAN,..) ont une possibilité de passer « le témoin, jeton » à un autre Maître (Bus « MultiMaître) • La plupart des Bus de Terrain ont la possibilité d ’accéder au niveau inférieur (Capteurs/Actionneurs) et aussi de couvrir une partie du niveau supérieur (messagerie)

26. Considérations Techniques Classification des Bus de Terrain (suite) Bus Capteurs/Actionneurs : • Les Bus de bas niveau Capteurs/Actionneurs ont pour tâche de relier entre eux des nœuds à intelligence limitée ou nulle dont une seule tâche est d ’élaborer les données les plus élémentaires telles que les états des entrées ou des sorties (Capteurs/Actionneurs) • Le temps de réaction est primordial et ne peut pas dépasser quelques millisecondes • Le nombre de données circulant sur le bus doit être limité au stricte minimum [trame unique, fixe, cyclique (InterBus) ou une trame avec protocole (CAN,AS-I)] • Les distances à couvrir sont généralement moins importantes que celles couvertes par un Bus de Terrain

27. Considérations Techniques Classification des Bus de Terrain (suite) Ouverture vers le monde Gestion, Coordination Messagerie, Routage Transfert Fichiers et Programmes Contrôle Qualité Réseau d’USINE ( Gestion) ( Contrôle Production ) Tâches de Ctrl Supervision,Config. Communication (trames, paquets) E T H E R N E T T C P / I P CELLULE Bus de Terrain (Contrôle/Coordination) PROFIBUS FMS PROFIBUS PA FIELDBUS Foundation World FIP L O N W O R K S Gestion événements Lecture/Ecriture E/S Téléchargement (plusieurs octets,mots) TERRAIN (Capteur/Actionneur) fonctions élaborés M O D B U S / J B U S P R O F I B U S D P C A N INTERBUS D e v i c e N e t Fonctions simples Lecture/Ecriture Capteurs/Actionneurs (bits,octet) TERRAIN (Capteur/Actionneur) fonctions simples INTERBUS LOOP HART AS - I

28. Réseau AS-I(Actuator Sensor Interface) • AS-I est un standard international (la norme IEC 62026-2) pour le plus bas niveau de réseaux d’automatismes : bus de Capteurs / Actionneurs • BUTS • remplacer le câblage traditionnel au niveau terrain par une paire non blindée • possibilité de raccorder des capteurs et actionneurs binaires de différents constructeurs sur un bus de communication sérielle • bénéficier des nouvelles fonctions de capteurs/actionneurs (diagnostic, paramétrage, maintenance automatique) • simplifier et minimiser les modifications du câblage et de la connectique associée Chip ASIC intégré Maître AS-I Esclaves AS-I Câblage parallèle bus

29. . . Réseau AS-I(Principes...) • PRINCIPES • Support physique : 2 fils non-blindés pour données et alimentation (24 V DC, 8 A) • Longueur max 100m (300 m avec répéteurs) • Pas de résistance de terminaison • Câble complémentaire pour alimentation séparée (noir : 24 V DC, rouge : 230 V AC) • Topologie libre (bus, étoile, arbre) • Participants : Maître et Esclaves (31 Esclaves maximum) • Participants Esclaves : maximum 248 bits Entrées/Sorties TOR • 4 points de connexion pour Esclave standard (point = une entrée ou sortie) • 8 points de connexion pour Esclave spécifique • Adressage des Esclaves par software (console de poche ou logiciel) • Entrées/Sorties analogiques possibles Alim AS-I Maître Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Câble AS-I : signaux + alimentation Esclave Câble d ’alimentation complémentaire

30. Réseau AS-I(Protocole...) • PROTOCOLE • Maître/Esclave (par polling) , 1 Maître , 31 Esclaves max • trame très compacte : requête + réponse = 25 bits • Temps de scrutation du réseau complet : 5 ms pour 31 esclaves • Vitesse de transmission : 167 Kbit/s pour un débit utile de 53.3 Kbit/s contrôleur Maître AS-I Appels séquentiels du Maître : Interrogation des Esclaves vers l'esclave n vers l'esclave n+1 vers l'esclave vers l'esclave 31 Réponses des esclaves : Esclave interrogé répond immédiatement

31. Réseau AS-I(Câblage...) • FORME DU CABLE • Câble plat à détrompeur mécanique • jaune : Interface AS-I, alimentation incorporée, signaux superposés • noir : alimentation complémentaire 24 V DC • rouge : alimentation complémentaire 230 V DC • connecteurs à prises « vampires » (simple,sûr, IP67) • Câble rond (blindé, non blindé) • pour des applications spéciales • connecteurs à vis • moins chers • pas de boucles pour connecter correctement • caractéristiques du câble peuvent influencer l ’extension du réseau Prises « vampires » 1.5 mm² 2,9 mm 6...10 mm

32. . . Réseau AS-I(Modules standards...) • MODULES CONNECTABLES • AS-I définit des spécification (interopérabilité) et des profils (interchangeabilité). • Les profils sont identifiés par le code ID (15 codes + 1 code « Esclave Libre »). • Exemples de profils standards : Module 4 Entrées; Module 2 Entrées / 2 Sorties TOR, …. • A ce jour il y a dans le monde plus de 160 fournisseurs de produits AS-I • Pour les terminaux distributeurs FESTO (terminaux CP) : • groupe de 2 distributeurs bistables ou groupe de 4 distributeurs mono-stables • combinaison de distributeurs ( dans le limite de 4 sorties) plus 4 entrées TOR • groupe 8 sorties / 8 entrées , mais avec l ’adressage double * *En version Z: avec alimentation séparée

33. Réseau AS-I(Adressage des Esclaves...) • ADRESSAGE DES MODULES ESCLAVES • Adresse d ’un Esclave AS-I est un paramètre numérique entre 0 et 31 qui indique un nœud (Esclave) du réseau AS-I • Initialement tous les Esclaves ont l ’adresse 0 • Lors de leur connexion successive, une adresse doit leur être affectée. • L ’attribution d ’adresse peut être réalisée par le Maître AS-I ou par une console de poche • Lors de remplacement d ’un Esclave dans un réseau en fonctionnement, le Maître affecte au nouvel Esclave (en supposant qu ’il ait le même profil) l ’adresse de l ’Esclave remplacé • IMPORTANT : • Au bout de 10 changements d ’adresse il ne sera plus possible d ’en changer son affectation. La dernière adresse sera toujours effective !!!

34. Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Réseau AS-I(AS-I en automatisme) • Bien que bus AS-I est un réseau de plus bas niveau, il s ’intègre facilement dans la structure d ’un système de l ’automatisme industriel • Il existe des cartes Maître AS-I pour PC et automates • Des passerelles permettent de relier le réseau AS-I aux autres réseaux et Bus de Terrain Niveau usine: Maître Terrain Interbus Profibus etc. Niveau Bus de CAN DeviceNet FIP Niveau terrain : capteurs et actionneurs

35. Réseau AS-I(Récapitulatif) • AS-I est un Bus de Terrain ouvert et indépendant de constructeur, auquel participent différents développeurs, fabricants et utilisateurs. AS-I fait l ’objet de la norme IEC 62026. • Actuellement l ’association AS-International est composée de 165 membres. • Dans la liste de produits, on retrouve plus de 400 références provenant de 160 fabricants différents (source AS-International) • Bien que AS-I est dédié à la couche la plus basse et a été conçu pour remplacer le câblage traditionnel, l ’utilisation combinée avec les différentes passerelles (ex. Profibus DP, Ethernet,…) permet de répondre aux besoins en automatisation de systèmes. • Economies réalisées par l ’utilisation d ’AS-I doivent être évaluées au car par cas • Malgré les économies réalisées par la simplification du câblage, de l ’installation et par la suppression des cartes E/S, le système AS-I pourrait être plus onéreux qu ’un câblage traditionnel : • Le réseau AS-i nécessite une carte Maître avec une liaison vers un contrôleur hôte • Le réseau AS-i nécessite une alimentation spécifique (transmission d ’énergie et des données) • Des coûts supplémentaires peuvent être induits par les Esclaves « intelligents » • Les coûts d ’investissement peuvent être compensés par les avantages d ’un Bus de Terrain : • la maintenabilité, le facilité de détection d ’erreur et du diagnostic • le paramétrage automatique des Esclaves • l ’évolution de l ’installation et sa réutilisation • Siemens et FESTO ont développé une nouvelle génération de chips AS-I (AS-I version 2) qui permet de résoudre certaines limites de la version « Standard » (ex. 61 Esclaves, E/S analogiques,..) • Pour la gamme automates FESTO nous avons les Maîtres AS-I : PS1-CP96 et SF3

36. 62 31 Fault I-1 I-2 Power A D Réseau AS-I(Résumé de la Version 2.1) • Module AS-I version 2.1 a été développé pour avoir des fonctionnalités supplémentaires sur le même câble standard AS-I (jaune) • Applications existantes sont supportées par ce nouveau module (v.2.1), c ’est-à-dire, le nouveau Maître peut communiquer avec les « vieux » Esclaves • Par contre, pour exploiter les nouvelles fonctions AS-I v.2.1 il faut utiliser le nouveau Maître et les nouveaux Esclaves ( mais les « vieux » sont aussi supportés avec leurs fonctions standards) • Les temps de scrutation des esclaves (temps cycle) restera 5 ms , à condition d ’utiliser 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 Esclaves • Les nouvelles fonctionnalités de AS-I v.2.1 • jusqu ’à 62 Esclaves pour un Maître • diagnostics plus détaillé • connexion plus simple pour des esclaves analogiques

37. 62 31 Réseau AS-Iv.2.1(Principe de fonctionnement) • Une adresse peut être affectée aux 2 esclaves : Esclave-A et Esclave-B (ex. 14A et 14B) • Dans le premier cycle de scrutation le maître interroge des Esclaves A, et dans le cycle suivant, tous les Esclaves B • Le réseau peut fonctionner avec des Esclaves A seulement (sans Esclaves B) ou avec des Esclaves B uniquement • Un Esclave v.2.1 peut être programmé comme A ou B par l ’utilisateur • Un Esclave en cours est sélectionné par un bit de sortie (Select Bit) • C ’est pourquoi, il est techniquement possible d’utiliser des Esclaves suivants: • 4 E , 2 E / 2 S, 3 E / 1 S, 1 E / 3 S, 4 E / 3 S • mais on ne peut pas utiliser l ’Esclave 4 E / 4 S

38. Réseau AS-I v.2.1(Protocole...) Contrôleur • Scrutation de 62 Esclaves (Esclaves A/B) Maître Cycle N : Maître interroge esclaves A Cycle N+1: Maître interroge Esclaves B Esclave 1A Esclave 2A Esclave 31A Esclave 1B Esclave 2B Esclave 1A Esclave 2A Esclave 31A Esclave 1B Esclave 2B Cycle N : Réponse immédiate Esclaves A Cycle N+1 : Réponse immédiate Esclaves B

39. Fault I-1 I-2 Power Réseau AS-I v.2.1(Diagnostic...) • Distinction entre des erreurs de communication et des erreurs du matériel • Erreurs du matériel sont signalées par une LED sur l ’esclave (ex. court-circuits sur un câble périphérique, défaut du capteur,...) • Erreurs du matériel de chaque esclave peuvent être évaluées par le contrôleur, le hôte du Maître • Avantage : localisation précise de défauts, maintenance simplifiée • Indication des erreurs de communication (ex. Esclave avec une adresse 0, double adressage,..)

40. APIprog utilisateur A D Réseau AS-I v.2.1(E/S analogiques...) • Pour AS-I « standard », 3 bits d ’information sont transférés par cycle - alors, le traitement de la valeur analogique doit être réalisé par le software d ’utilisateur • Pour AS-I v.2.1, une valeur analogique est transmise comme une donnée binaire • Elle est automatiquement détectée et traitée par le Maître v.2.1 • Avantage : la valeur analogique (16 bits) est directement et sans délais disponible pour le contrôleur,sans traitement supplémentaire • Les protocoles de transmission ont été normalisés par AS-International (profiles S7.3 ou S7.4) et sont tous compatibles Température Pression Niveauetc. D MaîtreV 2.1 A Esclave Esclave contrôleur transfertvia AS-Interface analogique Binaire16 bits Binaire 16 bits

41. Réseau AS-I v.2.1

42. Réseau (Bus) CAN • Réseau (Bus)CAN(Control Area Network) a été développé (1985) par les sociétés Bosch et INTEL ; l ’objectif était de fournir à l ’industrie automobile un bus peu coûteux mais performant qui peut être embarqué dans une voiture (automobile) • CAN est reconnu comme un bus de terrain par les standards internationaux ISO 11519 et ISO 11898 (applications haut débit) • CANest un bus de communication série qui respecte le modèle ISO/OSI au niveau de couches 1,2 ; la spécification de la couche 7 (Application) est laissée à l ’utilisateur ; • Contrôleurs CAN sont des circuits de bon marché(!!) et sont aujourd’hui disponibles chez la plupart des fabricants de composants électroniques (Hitachi, Motorola, Philips, Siemens, NEC, NS, Toshiba,…) • Grâce à ces performances et des coûts de composants très bas, CAN remplace de plus en plus les interfaces standards telles que RS-232 et RS-485 • Les contrôleurs CAN sont très souvent utilisés pour des liaisons internes aux systèmes d’automatismes et sont, de ce fait, souvent dissimulés aux utilisateurs (exemple : modules CP Economy FESTO) • CAN s ’impose aussi de manière croissante dans le marché des bus de terrain « classiques » ; les spécifications propriétaires sont de plus en plus remplacées par des protocoles standardisés et ouverts tels que : CANOpen (CiA), DeviceNet (Rockwell Automation), SDS (Honeywell) • CAN connaît un essor très important (source CiA) : • 11 millions de nœuds en 1996 • 170 millions en 2001

43. Réseau (Bus) CAN • BusCANa été développé initialement pour l ’industrie automobile mais sa robustesse et l ’efficacité du protocole l ’ont amené à être utilisé dans de nombreuse autres applications industrielles, en particulier celles nécessitant les débits élevés (1 Mb/s) avec un très faible taux d ’erreurs (automatisme, contrôle)

44. Réseau (Bus) CAN (caractéristiques principales) • Gestion des couches 1 et 2 du modèle ISO/OSI • Topologie de bus, connexion de type multipoint par « OU câblé » (connecteur SUB-D 9 points) • Transmission synchrone sur paire torsadée, fibre optiques ou liaison infrarouge • Débit maximum de 1 Mbit/s pour une longueur de 40 m • Communication multimaître et méthode d ’accès au support par compétition • système d ’arbitrage CSMA/CD+AMP (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority) • arbitrage sur le champ d ’identificateur de la trame (message) • bit dominant = 0 • bit récessif = 1 • l ’identificateur de la trame donne sa priorité • Valeur d ’identificateur faible = priorité forte • La trame de plus forte priorité est toujours transmise • Détection d ’erreur et retransmission automatique • Gestion de messages prioritaires • Garanties de délai pour des application de type temps réel

45. Réseau (Bus) CAN (couche physique) Principe du « OU câblé » Contrôleur CAN Contrôleur CAN Ligne de bus CAN_H 120 120 CAN_L Connexion des stations sur CAN Un nœud CAN (ISO 11898) 5 V CAN_H 3,5 V Récessif Récessif 2,5 V Dominant 1,5 V CAN_L « 1 » « 0 » « 1 » t Signaux ISO 11898

46. Réseau (Bus) CAN (couche physique) • Spécification CAN autorise aussi l ’utilisation de transmission infrarouge ou transmission radio entre deux nœuds CAN • Dans les deux cas, la transmission s ’effectue via des passerelles spécifiques

47. Réseau (Bus) CAN (couche liaison: principes de communication) • CAN propose deux modèles (protocoles) de communication : • Modèle « Producteur - Consommateur » (Broadcast Communication) • Modèle « Requête - Réponse » (Remote Request) • Pour ces deux modèles, CAN prévoit différents types de trames : • DATA FRAME : trame de données • REMOTE FRAME : trame d ’une requête de demande d ’émission de données par un nœud • ERROR FRAME : trame d ’un message d ’erreur • Protocoles CAN prévoient deux services de communication : • WRITE OBJECT : service de transmission de DATA FRAME d ’un nœud (producteur) vers un ou plusieurs nœuds récepteurs (consommateurs) • READ OBJECT : demande de données REMOTE FRAME envoyée par un ou plusieurs nœuds consommateurs

48. Réseau (Bus) CAN (couche liaison: Modèle « Producteur-Consommateur ») • Chaque station du réseau est à l ’écoute des messages • Quand la station « Producteur » (ici la station 2) envoie une trame, chaque nœud décide si le message peut être accepté ou non; le filtrage (Acceptance Filtering) est implémenté dans chaque nœud CAN • Si le message est accepté, il est transféré vers l ’unité de traitement du nœud CAN • Analogie à l ’émission radio « Trafic Info »; on prend en compte ou non

49. Réseau (Bus) CAN(couche liaison: Modèle «Requête-Réponse» (Remote Request) ) • Le nœud (Consommateur) qui demande de données envoie une demande (Remote Transmission Request) • Le nœud qui a la réponse (Producteur) envoie la réponse avec des données • Cette réponse peut être aussi acceptée (consommée) par les autres nœuds-consommateurs qui sont intéressés par ces données • Les données (objet) sont identifiées par « Identificateur » , un champ spécial de la trame CAN

50. Réseau (Bus) CAN (couche liaison: Services de Communication) • Le modèle « Producteur-Consommateur » utilise le service WRITE OBJECT pour transférer une trames de données (DATA FRAME) d ’un nœud (Producteur) vers un ou plusieurs nœuds (Consommateurs) • Ceci n ’implique pas que ces données seront acceptées par tous • Le modèle « Requête-Réponse » utilise le service READ OBJECT pour envoyer une demande d ’un ou plusieurs consommateurs • La trame utilisée est appelée REMOTE FRAME • Le nœud qui a la réponse (Producteur) envoie la réponse avec des données : trame DATA FRAME