Cahier technique n 197 - installations-electriques.net

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Cahier technique n° 197

Bus de terrain :une approche utilisateur

J.-C. Orsini

Collection Technique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partirdu site Schneider Electric.Code : http://www.schneider-electric.comRubrique : Le rendez-vous des experts

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n° 197Bus de terrain :une approche utilisateur

CT 197 édition mars 2000

Jean-Christophe ORSINI

Diplômé de l’Institut National des Télécommunications en 1987, entrédans l’activité automatismes de Schneider Electric en 1988, il aparticipé au développement de plusieurs coupleurs decommunication des automates Schneider Electric sur différentsréseaux. Depuis quatre ans, il œuvre à l’élargissement de laconnectivité des automates Schneider Electric.

Cahier Technique Schneider Electric n° 197 / p.2

Lexique

AS-i : Actuator Sensor Interface. Norme de busde terrain de niveau 0 (ou bus de capteur etactionneur).ASIC : Application Specific Integrated Circuit.Circuit intégré – composant électronique – dédiéà une application spécifique – par exemple lagestion d’un protocole de communication – paropposition à un circuit généraliste, comme unmicroprocesseur.Bande passante : Mesure la largeur de la plagede fréquences dans laquelle les signaux sonttransmis avec une atténuation inférieure à troisdécibels. Par abus de langage, désigne le débitmaximum utile du médium.CAN : Controller Area Network. Famille deréseaux utilisés massivement dans l’industrieautomobile, permettant une connexion à faiblecoût.C.I.M. : Computer Integrated Manufacturing.Concept d’unités de production informatisées.Il définit la hiérarchie des équipements etréseaux utilisés, depuis les ordinateurs degestion connectés sur les réseaux publicsjusqu’aux capteurs et actionneurs connectésaux bus de terrain.Coupleur, ou interface de communication :Electronique permettant le raccordement d’unéquipement à un réseau.Device Net : Bus de terrain basé sur latechnologie CAN.Équipement : Désigne dans ce document toutproduit d’automatisme raccordé au bus : automate,variateur de vitesse, distributeur pneumatique,robot, interface homme/machine, etc.Ethernet : Norme de réseau basée sur leprincipe d’accès au médium CSMA/CD.FIP / WorldFIP : (Factory InstrumentationProtocol) : bus de terrain couvrant les niveaux 1et 2 (norme européenne EN 50-170).IB-S : Abréviation pour Interbus-S.Interbus-S : Norme de bus de terrain de niveaux0 et 1.Java : Langage informatique orienté objet.LAN : Local Area Network = réseau local.Médium : Support physique de lacommunication (paire torsadée, câble coaxial,fibre optique).Message : Information échangée sur un réseauau travers de services définis dans un protocolede messagerie : lecture, écriture, téléchargementde zones mémoires, fichiers, etc.

Objet d’automatisme : Représentationmodélisée et structurée décrivant les fonctions,les services offerts et le comportement d’unautomatisme.Protocole : Relatif à une couche ISO, il désigneles règles de dialogue entre mêmes couches desentités communicantes.Profibus : Bus de terrain inclus dans la normeeuropéenne EN 50-170, couvrant les niveaux 1et 2.Réseau d’entreprise : Réseau local utilisé dansles applications de bureautique et de gestion.Réseau local : Réseau limité à une zone nedépassant pas quelques kilomètres ; en général,il s’agit de réseaux restreints à un bâtiment ouune entreprise, c’est-à-dire restant dans undomaine privé et ne traversant pas le domainepublic. Par opposition, on parle de WAN (WideArea Network) pour les réseaux comme leRéseau Téléphonique Commuté ou le réseauInternet.RLI : abréviation pour Réseau Local Industriel.Réseau Local Industriel : Réseau local utilisédans un environnement industriel (production…).TCP/IP : (Transport Control Protocol /Internetwork Protocol) : Standard de faitpopularisé par les réseaux Ethernet et Internet,couvrant les couches ISO 4 (TCP) et 3 (IP).Services : Règles de dialogue entre deuxcouches adjacentes. Par exemple, serviced’adressage offert par la couche 3 réseau à lacouche 4 transport.Trame : Suite de bits ou caractères émis defaçon ininterrompue par un équipement sur leréseau et dont l’ensemble constitue uneinformation cohérente interprétable par le ou lesdestinataires (messages, questions ou réponses,diffusion d’une valeur…). La longueur (i.e. lenombre de bits ou caractères) des trames esttoujours limitée.Variable : Information structurée, caractéristiqued’un process, véhiculée sur un réseau (vitessed’un moteur, position d’un mobile, etc.).

WAN : Wide Area Network. Par opposition auxLAN, réseau couvrant une large zone, engénéral réseau public : Réseau TéléphoniqueCommuté, Internet… A noter : depuis quelquesannées, on parle aussi de MAN (MetropolitanArea Network) ; il s’agit de réseaux rapidescouvrant quelques dizaines, voire centaines dekilomètres (des zones métropolitaines).


Bus de terrain :une approche utilisateur

Sommaire

1 Introduction 1.1 Historique p. 41.2 Evolution actuelle p. 4

1.3 Evaluation d’un bus de terrain p. 8

2 La performance au meilleur coût 2.1 Le coût p. 9

2.2 La performance p. 11

2.3 Optimisation coût-performance p. 14

3 L’interopérabilité 3.1 Définitions p. 18

3.2 Quelles garanties de fonctionnement ? p. 19

4 La pérennité 4.1 Enjeux p. 22

4.2 Tendances p. 22

4.3 Garanties de pérennité p. 24

5 Conclusion p. 25

Annexes p. 26

Bibliographie p. 30

Ces dernières années, les technologies réseau de type « bus de terrain »sont apparues pour remplacer le câblage traditionnel des entrées / sortiesdes automates programmables industriels. En conséquence, lesarchitectures d’automatismes ont profondément évolué. C’est par uneapproche utilisateur que ce Cahier Technique aborde les bus de terraindans l’industrie manufacturière. En plus des critères de coût et deperformances, il attire l’attention des prescripteurs et réalisateurs surl’importance des besoins d’interopérabilité et de pérennité.

La lecture de ce document pourra être précédée de celle duCahier Technique n°147 : « Initiation aux réseaux de communicationnumériques ».


1 Introduction

1.1 Historique

Il est intéressant, pour commencer, de replacerl’émergence des bus de terrain dans la jeunehistoire des automatismes programmables :

Apparition de l’automateDans les années 60, le coût de l’électroniquedescend à un niveau lui permettant de remplaceravantageusement la logique câblée à relais.Des modules de logique câblée à transistorapparaissent, comme le MOG de Merlin Gerin etle Téléstatique 1 de Telemecanique. Trèssimples à assembler, ils séduisent lesautomaticiens. En 1965, le transistor augermanium est remplacé par le silicium et donnenaissance au SILIMOG. Il sera plébiscité par lesclients jusque dans les années 1980.

En 1968, Modicon invente le concept d’automateprogrammable. Un matériel unique répond à unegrande multiplicité de besoins et apporte uneéconomie d’échelle. De sa grande souplessed’utilisation découlent de nombreux gains danstoutes les phases de vie de l’installation.

Les réseaux apparaissent également peu à peu,d’abord sous forme de liaisons séries. Desprotocoles viennent formaliser les échanges.Ainsi Modbus (1979), contraction de MODiconBUS, devenu depuis un standard de fait.

Mais ils se limitent aux cas où le câblage tout ourien ne suffit pas :c liaisons inter-automates,c liaisons avec les calculateurs,c supervision,c connexion des consoles de programmation…

Apparition des bus de terrain

La réduction des coûts de l’électronique sepoursuivant – en particulier grâce à l’utilisationd’ASICs dans les produits – les techniquesréseaux (cf. CT 147) deviennent avantageusespar rapport aux liaisons en fil-à-fil pour relier lesentrées / sorties à l’automate :Ce sont les bus de terrain (cf. fig. 1 ).

Ainsi observe-t-on par exemple l’émergence denormes comme WorldFIP et Profibus ou encoredu réseau Modbus Plus :

En 1993, Telemecanique commercialise unepremière offre industrielle complète basée sur lanorme WorldFip pour le déport des entrées /sorties automates (FIPIO) et la synchronisationinter-automates (FIPWAY). Siemens proposeune offre similaire basée sur la norme Profibus.À cette même période, Modicon commercialisele réseau Modbus Plus, véritable fédérateurd’équipements.

1.2 Evolution actuelle

Depuis quelques années, de nombreusesapplications ont adopté le bus de terrain. Cetteépine dorsale de l’architecture d’automatismeapparaît comme un moyen extrêmementpuissant d’échanges, de visibilité et desouplesse pour les équipements y participant.Le bus de terrain conduit à un bouleversementprogressif des architectures :c suppression des câbles d’entrées / sorties,

c disparition des interfaces d’entrées / sorties,

c disparition des liaisons séries dédiées.

Au-delà de ces aspects architecturaux, deuxautres points sont à souligner :

c la décentralisation et la répartition del’intelligence,

c l’arrivée des Nouvelles Technologies(Internet…)


Fig. 1 : connexion des interfaces d’entrées / sorties.

Liaisonsséries

Capteurs-actionneursproches de l'automate

Capteurs-actionneursdistants

Liaisonsséries

Bus deterrainetliaisonsséries

Interfacesd'entrées / sorties

Liaisonsfil-à-filetliaisonsséries


Suppression des câbles d’Entrées / Sorties

C’est dans un premier temps en sortant lesinterfaces d’Entrées / Sorties des automatespour les placer au plus près des capteurs etactionneurs que des gains ont été obtenus surles coûts de câblage (cf. fig. 1).

Disparition des interfaces d’Entrées / SortiesMais, une fois cette étape franchie, lesutilisateurs ont bientôt compris l’intérêt de voirles capteurs et actionneurs eux-mêmesdirectement connectés au bus. Celui-ci est utilisécomme moyen d’interconnexions deséquipements. Cela est en particulier vrai pourdes équipements hétérogènes par leur originemais aussi par leur type, comme :

c distributeurs pneumatiques,

c variateurs de vitesses et équipements decontrôle d’axes,

c machines de soudage ou de vissage,

c dispositifs d’identification divers,

c interfaces Homme-machine,

c équipements spécifiques à un métier,v pesage,v vision…

Parfois, même, cette capacité de connexionjustifie l’utilisation d’un bus de terrain même pourde faibles distances par la souplesse etl’évolutivité qu’elle permet (cf. fig. 2 ).

En effet :c certains de ces équipements (variateurs devitesse, machines de vissage…) nécessitaientsimultanément une liaison par Entrées / SortiesTOR et une liaison série avec l’automate : le busde terrain remplace les deux.

c L’utilisation en environnement étanche decertains autres rendaient leur câblagetraditionnel particulièrement coûteux.

c Des bus du type AS-i offrent des solutions pluséconomiques que le câblage traditionnel pour laconnexion des capteurs et actionneurs les plussimples (mais aussi les plus nombreux)– boutons poussoirs, colonnes lumineuses,démarrages moteur etc. – y compris sur decourtes distances.

L’installation devient une sorte de jeu deconstruction autour du câble réseau. Celui-cidevient le standard de câblage à la place desliaisons fil-à-fil en 0-24 V ou 4-20 mA.

De plus, cette évolution rend accessible en toutpoint de l’installation une foison d’informationsde diagnostic détaillées sur les capteurs etactionneurs.

Fig. 2 : disparition des interfaces d’entrées / sorties.

Liaisonsséries

Bus deterrain

Interfacesd'entrées / sorties

Interfaceintégrée auvariateur de vitesse.La liaison série disparaît.

Interfaceréseau intégré à lavanne motorisée


Fig. 3 : disparition des liaisons séries dédiées.

Bus deterrain

Même les composants lesplus simplesintègrent uneinterface réseau.

Disparition des liaisons série dédiées

Le véritable canal de communication ainsi créépermet de véhiculer des quantités d’informationsbeaucoup plus importantes. Cela conduit lesutilisateurs à l’exploiter pour des fonctions quiutilisaient auparavant des moyens decommunication dédiés :

c paramétrages,

c outils de diagnostics,

c chargements de programmes,

c dialogue opérateur, etc.

Par exemple, la liaison série dédiée utiliséeantérieurement par le dialogue opérateur estsupprimée au profit du bus de terrain. Ce canallui donne accès en tout point de l’installation,non plus seulement aux données de l’automate,mais aussi à celles de tout équipementraccordé : micro-automate, etc. (cf. fig. 3 ). Ceci,bien sûr, est limité par les performances du busconsidéré : un seul type de réseau ne sauraitsatisfaire tous les besoins.

Décentralisation et répartition del’intelligence

Au-delà de ces évolutions d’architecture, le busde terrain ouvre la voie à la décentralisation, oumême la répartition de l’intelligence (voirl’exposé de ces notions dans le CahierTechnique n° 186, § 3.1) :

c La décentralisation de l’intelligence permet :

v Une plus grande modularité de la conception.Le spécialiste peut traiter son domaine et offrirune interface au concepteur de l’ensemble.Cette modularité est un atout pour la qualité dela réalisation et donc la maîtrise des coûts dedéveloppement.

v Une meilleure réactivité de l’automatismegrâce à l’utilisation de nano/pico-automates auplus près du procédé.

v Une plus grande robustesse vis-à-vis desdéfaillances. Des fonctionnalités dégradéespeuvent être prévues localement lors decertaines pannes.

c La répartition de l’intelligence dans différentséquipements permet d’améliorer lesperformances en laissant à chaque équipementd’automatisme le soin d’effectuer la partie destraitements pour laquelle il est le plus performant.Elle favorise les possibilités de réutilisation desmodules matériels et logiciels. Elle peut allerjusqu’à la disparition de toute unité de traitementcentralisée, mais reste aujourd’hui freinée par lacomplexité des mécanismes à mettre en œuvre.

Nouvelles technologies

De nos jours, les technologies Internet, de parleur grande diffusion, bouleversent le paysagede l’informatique. Cette vague de fond atteint lesautomatismes, déclenche des convoitises et dessurenchères, avec des perspectives en coursd’exploration, autour de CORBA, JAVA,ACTIVE X…

Au niveau des réseaux, une bipolarisation seprofile : d’une part la descente d’Ethernet versles bus de terrain, d’autre part la consolidationdes positions de quelques bus de niveau 0,comme AS-i. L’intrusion de composants réseauxde grande diffusion, est aussi à signaler(exemple : CAN, issu de l’industrie automobile).


1.3 Evaluation d’un bus de terrain

Mais comment l’utilisateur doit-il gérer cetteévolution technologique ? Comment déterminerce qu’elle peut apporter et en tenir compte dansle choix de produits d’automatisme ?Par une analyse des besoins et contraintes, cedocument apporte une plus grande autonomie àl’utilisateur dans son évaluation.

Les questions que se pose l’automaticien vis-à-vis d’une application, et qu’il doit reporter sur lesbus de terrain tournent autour de quatrethèmes :c le coût,c la performance,c l’interopérabilité,c la pérennité.

Le coût

C’est en tout premier lieu la possibilité d’un gainde coût qui a conduit à l’émergence des bus deterrain. La toute première question à laquellel’automaticien doit répondre est donc celle-ci :« L’utilisation d’un bus de terrain dans monapplication sera-t-elle économiquementavantageuse ? »

La performanceIl s’agit avant tout d’une contrainte :« Si je détermine que tel bus estéconomiquement avantageux, commentm’assurer que ses performances satisfont auxexigences de mon application ? »

L’interopérabilité

Dès lors que la conclusion de l’analyse descritères précédents est favorable, il convient des’assurer que les différents produitsd’automatisme requis dans l’application sonteffectivement en mesure de fonctionnerensemble selon les besoins propres à cetteapplication : quelle garantie avoir avantl’acquisition et l’essai du matériel ?

La pérennitéEnfin, une fois validé l’intérêt et la faisabilité dela mise en œuvre du bus de terrain, il convientde ne pas oublier la pérennité requise pour cetype d’installation : la rentabilité desinvestissements nécessite une certaineprudence vis-à-vis des nouvelles technologies.Si les technologies de type bus de terrain sontaujourd’hui bien établies, leur multiplicité nepermet pas toujours de garantir la pérennité desinvestissements qu’elles entraînent.

Les deux premiers critères, coût etperformances, relèvent d’une analyse technico-économique des technologies de bus de terrain.Les deux suivants, interopérabilité et pérennité,relèvent plutôt de la confiance de l’utilisateur :analyse du marché, stratégie des constructeurs,attitude de ceux-ci vis-à-vis des normes… sont àprendre en compte.

Bien sûr, la pénétration du marché par unstandard reste le meilleur gage de confiance.


2 La performance au meilleur coût

2.1 Le coût

Dans l’analyse de l’impact en termes de coûtd’un bus de terrain, il est important de prendreen compte chaque étape de la vie d’uneinstallation automatisée, depuis sa conceptionjusqu’à son démantèlement.

Conception

La simplicité des connexions à mettre en œuvredans le cas d’un bus de terrain (par rapport aucâblage traditionnel) contribue à faire deséconomies sur le schéma de câblage.La modularité de la conception (travail enparallèle de différents métiers) allègeconsidérablement les études.

En contrepartie, l’introduction d’une nouvelletechnologie et de nouveaux types de matériel nemanque pas de nécessiter des formations. A cetitre, elle est source de nouvelles dépenses. D’oùl’intérêt de n’utiliser des normes ou technologiesdifférentes que lorsque cela se justifie clairementen terme de coût ou de performance.

Fourniture, installation et mise en service

Des gains de coût sont obtenus lors de la miseen œuvre par :

c Réduction des coûts de câblage.

c Réduction des délais, synonyme d’économies,par :v réduction des travaux de câblage,v modularité des tests,v paramétrages, réglages, téléchargementsfacilités,v capacités de diagnostic accrues.

Dans le cas où le bus est utilisé pour remplacerdes liaisons auparavant dédiées au dialogueHomme-machine, à des outils de diagnostic,programmation ou paramétrage :

c suppression de certains coupleurs decommunication dédiés,

c suppression des câbles de réseaux dédiés.Il faut, en contrepartie, tenir compte du surcoûtdes composants d’automatisme.Afin de chiffrer l’impact global, l’utilisateur doitdonc comparer les prix du même composantd’automatisme dans sa variante traditionnelle et

dans sa variante bus de terrain. Il ne doit pasoublier de tenir compte de l’ensemble desaccessoires : câbles, connecteurs, logicielsspécifiques, coût de mise en œuvre, etc.Certaines données partielles, comme le coûtd’un ASIC, sont parfois mises en avant. Uneanalyse aussi incomplète est à proscrire.

Exploitation (conduite et maintenance)

Différentes raisons facilitent la maintenance :

c Câblage et connexions réduitsLes longueurs de câble et les cheminementscomplexes de ceux-ci, ainsi que le nombre deraccordements de toutes sortes, sources depannes, se trouvent réduits, augmentant d’autantla fiabilité des installations. Cela est sous réservedu choix d’un bus dont l’immunité est adaptéeaux perturbations électromagnétiquesindustrielles.

c Nouvelles capacités de diagnosticMême les capteurs-actionneurs les plus simplesfournissent de nombreuses informations dediagnostic.

c Meilleure modularitéLa distribution de l’intelligence favorise la miseen place d’autocontrôles plus précis et amélioredonc la robustesse vis-à-vis des pannes et desévolutions.

c Uniformisation des composantsLa variété des moyens d’acheminement del’information se trouve réduite : Coupleurscommuns à plusieurs produits (cf. fig. 4 pagesuivante), câble et connecteurs communs à descatégories de produits différentes remplacentliaisons filaires variées, liaisons série, réseauxhaut débit. Les stocks de rechange et donc lescoûts de maintenance s’en trouvent réduits.

c Coût des pannesLes informations de diagnostic disponibles dansles produits permettent à la fois d’évitercertaines pannes et de réduire les temps deréparation. Le coût des arrêts de production liésaux pannes s’en trouve réduit. Toutefois, seulsdes outils bien intégrés et une technologiemature donnent réellement accès à cesavantages.


RénovationLa mise à niveau d’une application est largementsimplifiée avec un bus de terrain. Par exemple,chez un grand constructeur d’automobiles, il a étépossible de changer totalement le système decâblage d’une machine entre le vendredi soir etle lundi matin, sans perte de production. Ce typed’intervention aurait été totalement impossibleen câblage traditionnel.

DémantèlementLà aussi, l’utilisation d’un bus de terrain permetde réduire des coûts :

c réduction des coûts de « décâblage »,

c meilleures possibilités de réutilisation dumatériel.

Les impacts sur le coût lors des différentesphases de vie de l’installation peuvent êtrerésumés dans le tableau de la figure 5 .Diverses études ont été publiées sur ce sujet,ainsi que le bilan de nombreuses applicationsréelles, auxquels il est possible de se reporterpour approfondir le thème du coût (voirbibliographie).Mais l’analyse des coûts ne peut être décorréléede celle de la performance.

Communicateur FIPIOou Modbus +

Modules d'entrées ou de sorties numériques Modules d'entrées ou de sorties analogiques

Module mixte

Fig. 4 : un seul coupleur communicateur FIPIO pour l’ensemble des modules Schneider MOMENTUM.

Fil-à-fil

Exploitation

0

Bus de terrain

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Réalisation Etude

Fig. 5 : impact sur les coûts dû à l’utilisation d’un bus.


2.2 La performance

Types de contraintes

Parmi les besoins de l’utilisateur, il faut distinguer :c Les contraintes liées à l’environnement del’application :v alimentation des équipements raccordés,v nombre de capteurs-actionneurs,v distances requises,v perturbations électromagnétiques,v éléments mobiles,v contraintes topologiques,v étanchéité,v milieu agressif (sel, eau, acides…),v milieu explosif, etc.

L’utilisateur doit établir une liste complète de cescontraintes, sur laquelle un constructeur doitpouvoir s’engager. Dès lors, l’évaluation d’unbus sur ces aspects ne pose pas de problèmemajeur car les caractéristiques de ce type sontgénéralement bien identifiées. Pour certaines,des normes définissent des niveaux decompatibilité auxquels chacun se réfère. Celaest en particulier vrai pour tout ce qui touche auxcontraintes d’environnement.

c Les contraintes temporellesv temps de réponse maximal, en fonction dunombre d’Entrées / Sorties.v Débit des données nécessaire à l’application.Les bus de terrain ont mis en exergue lanécessité des calculs de performancestemporelles, déjà bien connus des constructeursd’automates dans leurs architecturestraditionnelles, basées sur des mécanismescycliques. Cela mérite un approfondissement.

Performances d’un bus d’automatisme

Les exigences temporelles d’un busd’automatisme sont différentes de celles d’unréseau d’entreprise ou d’un réseau public(WAN), essentiellement sur deux aspects :

c Ordre de grandeurLes automatismes dans l’industrie manufacturièrerequièrent plus souvent des délais courts (de lams à quelques dizaines de ms) pour l’achemine-ment d’une information courte (binaire) que deforts débits pour le transfert de grandesquantités d’informations. Pour de gros transferts(chargements de programme…), une certainelenteur est admise pourvu que les ordresbinaires (fermeture d’une vanne…) continuent àêtre transmis dans les mêmes délais.

De plus, dans certains cas, des contraintesspécifiques, comme la synchronisationd’équipements, sont également requises.

c DéterminismePour le bon fonctionnement d’une applicationd’automatisme, le transfert de certainesinformations doit s’effectuer dans un délai limité.Le bus de terrain contribue à ce délai.

Pour l’affichage d’une page sur l’écran d’un PC,un délai de quelques secondes, une fois surcent, est largement toléré. Pour la prise encompte de l’information de la cellule de sécuritéd’une barrière en train de descendre sur unevoiture, tel n’est pas le cas !Le déterminisme est une propriété qui autorise lecalcul théorique des temps de transfert maximagarantis sur le bus en fonction des conditionsd’utilisation (nombre d’équipements…).

Des mécanismes de bus déterministes sontexposés en annexe : certains permettent degarantir ce déterminisme sur les informationscritiques tout en gérant aussi des échangesmoins prioritaires (dialogue Homme-machine,diagnostic…).

L’intérêt du déterminisme pour les réseauxutilisés dans les applications d’automatisme aété l’objet de nombreux débats ces dernièresannées.

Sans remettre en cause son importance, il nefaut toutefois pas confondre déterminisme etmécanisme de sécurité. Il faut tenir compte aussidu fait que toute application admet un taux depanne lié au matériel, à l’environnement… Ainsi,dans l’exemple proposé, que le bus soitdéterministe ou non, un mécanisme de sécuritéprévoit l’arrêt de la barrière en cas de coupuredu médium. Le seul risque, avec un bus nondéterministe, est que la barrière soit arrêtée nonpas pour une coupure du médium mais en raisond’un trafic trop élevé. Pour éviter cette situation,c’est-à-dire que sa probabilité soit inférieure autaux de panne admis, il faut simplement limiter letaux de charge sur le bus non déterministe.L’utilisation de bus non déterministes est doncpossible moyennant des débits plus élevés, certesfacteurs de coûts plus élevés. Les évolutionstechniques et les effets de volume le rendantcompétitif, Ethernet, non déterministe, après avoirsupplanté le bus à jeton 802.4 il y a quelquesannées, est aujourd’hui envisagé pour les mêmesraisons de coût au niveau des bus de terrain.


Critères d’évaluation

c Que calculer ?L’utilisateur est souvent confronté au calcul de laperformance temporelle. Il doit s’interroger enparticulier sur la pertinence des chiffres qui luisont fournis vis-à-vis de son besoin.

Différentes valeurs peuvent être trouvées :v débit du médium,v temps de cycle du réseau,v temps de réponse de l’automatisme sur uneaction particulière,v temps de réponse global du procédé.

L’utilisateur doit privilégier les caractéristiquesapplicatives, seules significatives pour lui.Typiquement, il s’intéresse au temps de réponseentrées / sorties (mesurer ou calculer au bout decombien de temps une sortie est activée aprèsactivation d’une entrée) en précisant chaque fois :v la valeur nominale,v la valeur maximum garantie.

Les informations du type débit du médium outemps de cycle réseau ne peuvent être exploitéesqu’après une analyse plus approfondie.

c Cycles et performanceLa plupart des bus d’automatisme fonctionnentsur des principes de scrutation cyclique : lesinformations sont acquises au rythme d’un cyclerépété à l’infini. Chaque information est acquiseune fois dans le cycle.

Dans le pire des cas, lorsque l’instantd’acquisition a lieu juste avant le changementd’état, ce dernier n’est transmis qu’au cyclesuivant. (cf. fig. 6 ).Certains bus, comme WorldFIP, permettent dedéfinir un macro-cycle, lui-même décomposé en

Fig. 6 : fluctuation du temps de réponse avec un mécanisme cyclique.

Signal exploitépar l'automate

t (ms)20 40 60

Signal réel

Instants de lecturedes événements

0

cycles élémentaires (cf. Annexe). Certainesinformations seront alors échangées à chaquecycle élémentaire tandis que d’autres ne leseront qu’un cycle élémentaire sur deux, oumême une fois par macro-cycle. Cela permetd’adapter la période de rafraîchissement dechaque information aux temps de réponsesrequis.

De même le programme de l’automate estcaractérisé par un temps de cycle. Certainscapteurs-actionneurs comportent un logicielfonctionnant selon un mécanisme cyclique.Chaque fois qu’un événement survient en entréede l’un de ces systèmes cycliques, il fautattendre, au plus, la durée d’un cycle complet dece système avant de pouvoir le traiter. Le tempsde réponse global maximum est donc la sommedes temps de cycle. Mais il peut y avoir un grosécart entre ce temps maximum et la performancenominale, obtenue lorsque les événementssurviennent chaque fois en milieu de cycle.(cf. fig. 7 )

c Impact du principe d’accès au médiumSelon le mécanisme d’accès au médium du bus,l’impact du temps de cycle du bus pourra êtredifférent. Par exemple, selon le cas, latransmission de l’information au destinatairesurvient dès sa mise à disposition sur le bus oupeut prendre jusqu’à un temps de cycle complet.(cf. fig. 8 ).

Les comparaisons entre bus descaractéristiques du type débit du médium outemps de cycle, sont donc insuffisantes – parfoisutilisées de façon abusive – et peuvent conduireà de fausses conclusions sur les temps deréponse si elles sont décorrélées des principesde fonctionnement du bus.


Fig. 7 : impact de cycles successifs sur le temps de réponse.

Fig. 8 : impact du temps de cycle sur les temps de réponse, selon le mécanisme d’accès au médium.

Actionneur

a - Délai de prise en compte minimum b - Délai de prise en compte maximum

t (ms)

Bus

Automate

Demandes d'action par l'automate

Actions réalisées

0

a b

L'information est diffusée : sitôt mise à disposition sur le bus, elle est accessible à l'ensemble des équipements raccordés.

L'information, sitôt mise à disposition sur le bus, est accessible au maître ( 1 et 2 ). Par contre, si elle doit être transmise à un autre esclave, un autre cycle complet doit être attendu dans le pire des cas ( 3 et éventuellement 4 ).

Les informations circulent dans une trame unique qui transite d'équipement en équipement. Un cycle réseau correspond au temps nécessaire pour faire un tour complet.Lorsqu'un équipement veut transmettre une information, il attendra dans le pire des cas un temps de cycle complet avant de pouvoir l'insérer dans la trame. Puis cette information mettra, dans le pire des cas, de nouveau un temps de cycle complet avant de parvenir au destinataire, ceci selon les positions respectives de l'émetteur et du destinataire dans la boucle.

Arbitre de bus(mécanisme producteur consommateur)

Maître esclave

1 13

2 4

Anneau point à point(type Interbus-S)

23

Fiabilité

La fiabilité est un critère de performance. Dansle domaine de la sûreté de fonctionnement, toutou presque peut s’évaluer, et tout bien sûr a unprix. Une fiabilité totale, absolue, aurait un prixinfiniment élevé. Dans les cas critiques, où lasûreté apparaît comme la contrainte majeure duprojet, il est absolument nécessaire de conduire

une évaluation avec un fiabiliste, afin d’avoir uneconfiance justifiée dans le système mis en œuvre.

Dans bien d’autres cas, une simple évaluationpeut suffire. L’utilisateur doit apprécier le risqueet les moyens qu’il déploie pour s’en couvrir.La notion de risque est une synthèse entre lecoût d’un événement redouté et sa probabilitéd’apparition.


A priori, sauf architecture complexe et toléranteaux pannes, une défaillance du bus peut bloquerla totalité de l’application.

Pourtant, les bus de terrain contribuent àl’amélioration de la disponibilité del’application (et par là à une réduction du coûtglobal de revient d’une installation automatisée),en :

c facilitant le diagnostic (ajout d’informationsde diagnostic, outils de recherche de pannes,simplicité du câblage),

c séparant les fonctions,

c facilitant (et rendant donc plus rapide) leremplacement d’un module de traitement.

Toutefois, tous les bus n’offrent pas le mêmeniveau de service sur ce point :c D’une part la qualité du diagnostic est variablequant aux :v informations fournies,v moyens d’accès à cette information.c D’autre part, la continuité de service en cas demise hors tension, déconnexion ou panne d’unéquipement est variable d’un bus à l’autre.Certains bus sont plus particulièrement conçuspour gérer la disponibilité. Par exemple, Modbus+permet entre autres la redondance du medium.Ces caractéristiques constituent un critère dechoix pour les utilisateurs. A chacun d’en évaluerl’importance en fonction de ses besoins.

2.3 Optimisation coût-performance

Limites technologiques actuelles

A ce jour, un seul réseau ne saurait satisfaire lesbesoins de toutes les applications,particulièrement en termes de coût et deperformances, mais aussi de contraintesd’environnement, de produits connectés, denormalisation…

Les technologies actuelles permettent d’apporterune réponse satisfaisante en termes de coûtpour la connexion d’équipements d’entrées /sorties simples du fait que ceux-ci ne requièrentque des échanges limités, en général sur desdistances limitées. Inversement, pour deséquipements nécessitant des volumesd’échanges plus importants, souvent sur de plusgrandes distances, le coût des technologiesnécessaires, plus élevé, est acceptablerelativement au coût plus élevé de ceséquipements.

Les objectifs de coût et de performances serejoignent donc et ont conduit les constructeursà proposer des solutions techniques adaptéesaux niveaux requis. Une classification dessolutions réseau est ainsi apparue : elle rejoint ladécoupe de la pyramide C.I.M.

Classification des bus de terrain

Le schéma de la figure 9 présente la plagecouverte par chacune des principales normes debus d’automatismes dans cette hiérarchie. Lesdifférents aspects se retrouvent ainsi corrélés :

c Caractéristiques viséesv volume et type des informations échangées,v prix des coupleurs réseaux,v temps de réaction requis,v longueur maximum des réseaux.

c Classification associéev niveaux de la pyramide C.I.M.,v noms des familles de réseaux,v place dans une architecture typique.

Bien sûr, toutes les valeurs ne sont que desordres de grandeur.Cette classification permet de rapidementcomprendre la cible d’un bus ou, inversement,de mettre un besoin en adéquation avec uneliste de bus. Elle mérite toutefois quelquescommentaires afin d’être bien comprise etutilisée à bon escient :

c Elle n’est pas discontinue. L’objectif se limite àidentifier la zone dans laquelle un bus assure lameilleure réponse à l’optimisation du rapport coût/performance. Lorsqu’on s’éloigne de cette zone,le rapport devient progressivement moins bon.

c L’utilisateur peut être séduit par les normes quicouvrent plusieurs niveaux. En effet, moinsl’utilisateur emploie de réseaux différents, plus ilv réduit son investissement- formation,- standardisation des matériels gérés…v accroît sa liberté dans la définition de sesarchitectures d’automatisme,- faisant dialoguer n’importe quel équipementavec n’importe quel autre de façon transparente- évitant passerelles et écriture de programmesdédiés pour gérer des échanges…

C’est aussi un gage de pérennité de la solution.Comme elle n’est pas trop spécialisée, elle estmieux en mesure d’assurer sa propre rentabilitépar effet de volume, donc, en ce qui concernel’utilisateur, sa pérennité. Tel est le cas deModbus Plus, remarquable par son aspectfédérateur.


Fig. 9 : classification des bus de terrain.

Niveau 0 : capteurs-actionneursSensorbus

Niveau 1 : îlots d'automatismeDevicebus

Niveau 2 : atelierFieldbus

Niveau 3 : informatique d'entrepriseDatabus

Coûts deconnexion

n x ms 0,1 km

n x 10 ms km

n x 100 ms 10 km

n x s 100 km

Bits

Mots

Messages

Fichiers

Temps deréaction

Distancesmaximum

Nature desinformationséchangées

Ethernet

Profibus FMS

Modbus+

FIPWAY

Device Net FIPIO

Profibus DP

IB-S

Sensor loop

AS-i

De nombreuses normes arrivent ainsi àrépondre dans de bonnes conditions auxbesoins des niveaux 1 et 2, débordant parfoissur le bas du niveau 3 et/ou le haut du niveau 0.

Au contraire, en raison des fortes contraintes decoût au niveau 0, les bus bien situés à ce niveaupeuvent rarement prétendre à plus qu’un légerdébordement sur le bas du niveau 1.

L’utilisateur doit prendre garde à ne pas êtretrompé par un prétendu bus universel qui enréalité ne pourrait assurer le compromis coût-performances à tous les niveaux. Mieux vautune passerelle bien intégrée dans le systèmeautomate qu’un bus trop coûteux sur une partiede l’application. Ainsi, des passerellespermettent de rattacher des équipements AS-i àune architecture FIPIO ou Modbus Plus.

Il convient d’apporter quelques précisions surdeux sources de confusion :

c Profils de communicationSous une même norme, se cachent danscertains cas des variantes – des profils decommunication – segmentant les niveaux decoûts et de performances recherchés. Entreelles, le niveau de compatibilité est variable.

c TechnologiesLa plupart des bus proposent différentes solutionstechniques – différents ASICs en particulier –pour se connecter au bus à un coût adapté auproduit connecté et à ses performances. Il peutainsi exister un composant particulièrementadapté pour le niveau 1 et un autreparticulièrement adapté pour le niveau 2.L’existence de plusieurs composants bien cibléspermet au fabricant de proposer des produits aurapport coût / performance optimisé.

L’utilisateur doit bien comprendre ces notions quivont être précisées par la suite. A défaut, ildécouvre parfois trop tard que, derrière unemême appellation, se cachent deux bus différents.

Profils de communication

Une norme de réseau définit les règles visant àpermettre aux équipements s’y conformant decommuniquer entre eux. Mais la plupart desnormes proposent, ou autorisent par manque deprécision, des alternatives de fonctionnementparfaitement incompatibles entre elles, chacuneadaptée à un contexte d’utilisation. La simpleconformité à la norme garantit donc rarement ceque recherche l’utilisateur, à savoir lacommunication des équipements entre eux.


Un profil de communication s’appuie sur unenorme de réseau et vise à définir, dans le cadrede cette norme :c d’une part des choix (parmi les différentesalternatives proposées par la norme),c d’autre part, éventuellement, des complémentsà la norme, nécessaires pour garantir lacommunication entre équipements seconformant au profil.Il sélectionne ainsi l’ensemble descaractéristiques de la norme adaptées à uncontexte d’utilisation donné, par exemple le déportdes Entrées / Sorties d’un automate (niveau 1)ou la synchronisation entre automates (niveau 2).

Pour l’utilisateur c’est une meilleure garantied’interopérabilité. De plus, cela lui permet debénéficier des avantages de la non-multiplicationdes types de réseaux, à condition toutefois debien comprendre la portée de ces profils et leslimites associées.En particulier :c Les outils de câblage (câble, connecteurs…)sont-ils les mêmes sur chaque profil ?

c Dans quelle mesure deux équipementsconformes chacun à un profil différent du mêmebus, peuvent-ils interopérer ? A défaut, y a-t-ilcompatibilité pour un sous-ensemble duprotocole ?Dans la négative, cela revient à utiliser deux busdifférents.

Exemple de profil de communication

Sur la base de la norme WorldFip, deux profilsont été définis et sont proposés sur les produitsSchneider Electric :c FIPIO, bus d’E/S de l’automate (niveau 1),c FIPWAY, bus de synchronisation (niveau 2).

La définition de tels profils intégrés dans lessystèmes automates, apporte à l’utilisateur unegarantie sur les compatibilités de fonctionne-ment, sans qu’il ait besoin d’approfondir saconnaissance de la norme WorldFip.Dans cet exemple, les équipements FIPIO etFIPWAY ne peuvent pas être raccordés aumême réseau, mais :

c les outils de câblage sont les mêmes dans lesdeux cas,c les deux profils s’appuient sur les échanges devariables et de messages de la norme WorldFip :v les variables sont différentes dans les 2 cas :- E/S automates pour FIPIO,

- informations de synchronisation dans le cas deFIPWAY ;

v les mêmes messages, par contre, peuvent êtreroutés d’un profil à l’autre. La seule différence sesitue dans la bande passante disponible pourcette messagerie,- faible sur FIPIO,- forte sur FIPWAY.

Ceci permet de :

v faire transiter la messagerie de façontransparente de FIPIO à FIPWAY et vice versa,v connecter les consoles de programmationindifféremment sur FIPIO ou FIPWAY,v paramétrer les équipements – ou la connexionde dialogue opérateur – utilisant la messagerie,indifféremment sur FIPIO ou FIPWAY,v utiliser des outils de diagnostic identiques –analyseur réseau par exemple – indifféremmentsur FIPIO ou FIPWAY, limitant les besoins deformation pour l’utilisateur.

Pour la norme Profibus, Profibus DP etProfibus FMS offrent une découpe similaire.

Technologie

Ce terme est utilisé ici pour désigner lescomposants matériels et/ou logiciels permettantd’assurer le fonctionnement d’un produitconformément à une norme et/ou un profil decommunication.Une même norme peut être supportée par destechnologies (composants) différentespermettant de s’adapter au mieux aux besoinsde communication de chaque équipement :

c les équipements connectés aux niveaux lesplus bas n’offrent pas forcément toutes lesfonctions proposées mais tous disposeront d’unnoyau commun leur permettant de dialoguer,

c les besoins d’échanges importants enquantité et diversité des équipements les pluscomplexes n’induisent pas un coût deconnexion élevé pour les équipements les plussimples.

Chaque équipement utilise pour se connecter,une technologie – un composant – dépendantde ses propres besoins d’échanges et non dubus.Cela se rapproche d’ailleurs de la notionde profils : souvent, des composants serontspécifiés pour supporter tout ou partie desprofils d’une norme.


Fig. 10 : optimisation du rapport coût-performance par utilisation de composants appropriés.

L'automate, grâce au composant FIPIU ou FULLFIP, dispose ainsi de toutes les possibilités offertes par le bus FIP, y compris la fonction d'arbitre de bus lui permettant de gérer l'accès au médium pour l'ensemble des équipements connectés.

Variateur de vitesse commandé par quelques mots d'entrées / sorties et paramétrable par quelques dizaines de mots de configuration. Il se connecte à l'aide du composant FIPCO piloté par un micro-contrôleur de la famille 8051. Les échanges restent assez simples mais plus importants en taille.

Module gérant 8 entrées TOR et 8 sorties TOR connecté au bus à l'aide du composant MicroFip, sans micro-contrôleur. Il s'agit d'une solution très bas coût, mais les seules informations échangées sont les entrées / sorties.

Dialogue opérateur connecté à l'aide du composant FIPIU : cela lui permet d'accéder grâce à la messagerie à l'intégralité de la mémoire automate pour afficher une large variété d'informations requises par l'opérateur.

Coût

Exemple sur les technologies

La norme WorldFip utilise 3 types decomposants :

c FULLFIP et FIPIU supportent toutes lespossibilités de la norme, y compris lamessagerie et les fonctions d’arbitrage de bus.

c FIPCO gère les échanges de variables sansrestrictions (à l’exclusion des fonctions d’arbitre

de bus et de messagerie). Il doit être piloté parun microcontrôleur.

c MICROFIP permet de connecter unéquipement simple (entrées/sorties seulement)sans micro-contrôleur.

La figure 10 illustre l’utilisation de ces différentscomposants dans le cas du bus d’entrées/sortiesdéportées d’un automate.


3 L’interopérabilité

Après avoir choisi un bus au vu de sescaractéristiques, il convient de s’assurer queles différents équipements à connecter peuventfonctionner ensemble en assurant les échangesrequis par l’application visée.

On parle « d’interopérabilité » pour qualifierce « bon fonctionnement ».

Mais avant d’aller plus loin, les termes employésdans ce domaine doivent être clarifiés.

3.1 Définitions

Exemple

Ces définitions sont illustrées par l’exemple d’unvariateur de vitesse qui échange avec unautomate via un réseau WorldFip :

c Deux mots d’entrée variateurv ordre de marche/arrêt du moteur,v consigne de vitesse.

c Trois mots de sortie variateurv état effectif du moteur (marche/arrêt),v consigne de vitesse appliquée au moteur,v vitesse mesurée du moteur.

De plus, ce variateur doit, pour fonctionner,recevoir des paramètres de l’automate.

ConformitéLa conformité à une norme désigne simplementle fait de respecter ses prescriptions. Ce n’est enaucun cas une garantie de bon fonctionnemententre équipements dans le cadre d’uneapplication d’automatisme :

c La norme peut proposer des options : le bonfonctionnement de deux équipements supposele choix des mêmes options ou, tout au moins,d’options compatibles.Exemple : le débit du médium, le type d’accèsaux variables (soit par une adresse physique,soit par un nom) ou la liste des servicessupportés peuvent faire l’objet d’un choix.

c La norme peut comporter des trous despécifications laissant à chaque équipement unemarge d’interprétation. Il suffit que, sur deuxéquipements, un point ait été interprétédifféremment pour qu’ils n’interopèrent pas.

c Certaines normes ne portent que sur une partiedes couches ISO (cf. Annexe) et ne peuventdonc à elles seules permettre à 2 équipementsd’échanger des informations. Par exemple,Ethernet (ou 8802.3) traite exclusivement descouches 1 et 2, TCP/IP des couches 3 et 4.

Dans l’exemple proposé, la conformité duvariateur signifie qu’il échange ses entrées /sorties et ses paramètres au travers de tramesconformes à la norme WorldFip. Les paramètres,par exemple, peuvent être échangés via desvariables ou des messages WorldFip : dans un cascomme dans l’autre, le variateur est conforme.

InteropérabilitéL’interopérabilité est la faculté de deuxéquipements de dialoguer. Toutefois, pour êtretout à fait exploitable par un utilisateur, cettenotion doit être précisée : En effet, deuxéquipements peuvent très bien interopérer surcertains services et pas sur d’autres. L’utilisateurdoit déterminer si les services et fonctions pourlesquels les équipements interopèrent satisfontaux besoins de son application.Afin de faciliter cette démarche, certains busdéfinissent des profils de communication(cf. §2.3) qui précisent les options choisies et lescaractéristiques exactes des informationséchangées.

Dans l’exemple proposé, le variateur etl’automate n’interopèrent pas, bien qu’étant tousdeux conformes à la norme, si :

c le variateur reçoit ses paramètres par destrames de messagerie,

c l’automate ne gère que les variables.


Interchangeabilité

L’interchangeabilité désigne la possibilité deremplacer un équipement par un autre de mêmetype, assurant les mêmes fonctions et proposantles mêmes services sur le bus : par exemple, unvariateur de vitesse peut, ou ne peut pas, êtreremplacé par un autre sans modification del’application d’automatismes, c’est à dire sanstoucher au programme applicatif de l’automatedans l’exemple considéré. En plus del’interopérabilité entre l’automate et chacun desvariateurs, cela nécessite que la nature et le typedes informations échangées avec l’automatesoient identiques quel que soit le variateur utilisé.

Cette notion requiert plus que la conformité à unprotocole réseau. En effet, elle suppose dedéfinir la liste, la structure et les caractéristiques(nature et type) des informations gérées parl’ensemble des équipements d’un certain type.C’est la notion de profil d’équipement.

Pour revenir à l’exemple proposé, supposonsque le variateur échange l’état de ses entréespar une variable WorldFip contenant d’abordl’ordre de marche/arrêt, ensuite la consigne devitesse.Un autre variateur de vitesse, échangeant sesentrées au travers de la même variable mais

dans laquelle la consigne de vitesse se trouveen premier et l’ordre de marche-arrêt en second,interopère lui aussi avec l’automate, mais n’estpas interchangeable avec le premier variateur.Un profil d’équipement, définissant lasémantique de chacun des mots d’entrées /sorties d’un variateur, permet d’assurerl’interchangeabilité. En contrepartie, cela interdità l’utilisateur de bénéficier des fonctionsspécifiques disponibles sur certains produits.Aussi, certains constructeurs y voient un freinaux possibilités d’enrichissement de leur offre.Au contraire, certains utilisateurs y voient unespoir d’interchangeabilité.

Il est clair que, pour des équipements complexescomme des variateurs de vitesse, le nombre deparamètres entrant en jeu, notamment lescomportements temps réel, font de l’inter-changeabilité un objectif difficile à atteindre.

Un profil d’équipement peut être définiindépendamment du réseau utilisé : il suffitensuite de préciser pour chaque réseau, les objetsde communication utilisés (types de trames :messages, variables…) pour échanger les objetsfonctionnels définis dans le profil d’équipement.

Les variateurs Schneider Electric sontconformes au profil d’équipement DRIVECOM.

3.2 Quelles garanties de fonctionnement ?

Objectif

L’utilisateur doit obtenir des garanties vis-à-visde :

c l’interopérabilité, avant toute chose, pourassurer le bon fonctionnement de l’applicationvisée,

c la conformité à une norme de bus afin des’assurer que le bon fonctionnement n’est paslimité à l’utilisation faite et offrir les meilleuresgaranties en cas d’évolution : utilisation denouveaux services, changement de produit etc.

c l’interchangeabilité, éventuellement, pour sedonner la possibilité de changer de produit, voirede fournisseur, par exemple lors d’une évolution,ou d’une réparation.

Quels sont les moyens d’obtenir ce genre degaranties ? C’est ce qui est détaillé dans lesparagraphes suivants.

Associations

La plupart des bus de terrain sont promus parune association qui regroupe les fabricants deproduits connectés au bus (ou susceptibles del’être). Certaines de ces associations regroupentaussi des utilisateurs, ce qui constitue clairementun atout. Il existe par exemple des associationsautour des normes Profibus, WorldFip, DeviceNet, Interbus-S, AS-i.

Ces associations contribuent à la promotion deleur norme et des technologies associées etpermettent d’assurer un respect de la norme parchacun de leurs membres.

Toutefois, la qualité de leur fonctionnement estvariable. Nombreuses sont celles qui sontessentiellement animées par un grandconstructeur d’automates et auxquelles adhèrentles constructeurs de la périphérie automate.


L’avantage en est que la garantie de ceconstructeur est le meilleur gage de bonfonctionnement de l’association et élimine toutrisque de divergences entre les membres. Parcontre, cela réduit les possibilités pour cettenorme de devenir un standard partagé parplusieurs grands constructeurs d’automates.Un cas particulier est celui du club Interbus-S,animé par Phœnix, fabricant de produitspériphériques et non d’automates.

Parmi ces associations, on peut noter le bonfonctionnement du consortium AS-i, dontSchneider Electric et Siemens font partie. Cetteassociation regroupe des constructeurs majeursqui, non seulement en sont membres, mais aussiproposent de larges catalogues de produitsconcurrents. Elle a su gérer les évolutions de lanorme et son respect par les produits.

Certaines associations proposent des certificatsde conformité. Cela contribue à limiter les risquesmais n’est pas une garantie d’interopérabilité.

Organismes de normalisation

Certains bus sont conformes à des normesinternationales (ISO, CEI...) ou nationales (IEEE,UTE…). Cela constitue pour l’utilisateur unegarantie de qualité et peut avoir une importancevis-à-vis de marchés publics.

Toutefois, l’évolution constante des technologiesde bus est souvent difficilement compatible avecle consensus, et donc les délais, nécessaires àl’élaboration d’une norme.

Les constats d’échecs des normes sontnombreux. Dans le monde des automatismes, ilfaut citer la norme MMS. Réclamée par lesutilisateurs, implémentée au-dessus d’Ethernetpar l’immense majorité des fournisseurs, elle n’ajamais pris de réel essor. Pourtant, en dépit dedéfauts de jeunesse tolérables, elle répondaitconvenablement aux besoins de bon nombred’applications. Aujourd’hui, quasiment toutes lesapplications utilisent des messageriespropriétaires. Le besoin d’une messagerienormalisée était-il bien réel ?

Notoriété

De nombreux réseaux propriétaires sontdevenus des « standards de fait ».Cela est vrai dans le monde industriel depuisplusieurs années pour Modbus/JBus, Unitelway…Cela est vrai aussi dans le monde informatiqueavec des standards de fait comme TCP/IP qui sesont très largement développés au détriment desnormes ISO équivalentes.

L’apparition d’un standard de fait par lapénétration d’une technologie dans un marché(industrie en général, secteur industriel importantcomme l’automobile…) est clairement un gage debon fonctionnement des produits s’y conformant.Par exemple, les composants CAN, issus dusecteur automobile, intéressent par leur bas coûtle secteur de l’automatisme.De même, un certain nombre de technologiesvenues du secteur informatique, représentant unmarché beaucoup plus important que le secteur del’automatisme, ont pénétré le monde industriel.C’est par exemple dans un autre domaine le casdes PCs qui ont remplacé les consoles dédiéespour programmer les automates.De même, la norme ISO 8802.4, dédiée auxautomatismes pour les réseaux de niveau 2, n’apas pu résister à la pénétration d’Ethernet(ISO 8802.3). Les quelques avantages de 8802.4pour l’automatisme n’ont pas convaincu face :

c à l’énorme base de réseaux Ethernet déjàinstallés dans les usines pour les besoins del’informatique d’entreprise,

c aux réductions de coûts et à la multiplicité desoutils disponibles pour Ethernet, induites par leseffets de volume propres au marché del’informatique d’entreprise.

En résumé, la notoriété d’un standard, synonymede volume, et donc de retour d’expériences, estpour l’utilisateur un gage de bon fonctionnement.Le volume du catalogue de produits compatiblesen est un bon indicateur.

Garanties d’un constructeurEnfin, une des meilleures assurances de bonfonctionnement d’équipements hétérogènes dansle cadre d’une installation distribuée demeure lagarantie d’un grand constructeur. Cela supposebien évidemment la volonté d’un tel constructeurd’ouvrir ses architectures. C’est aujourd’hui lecas de principaux offreurs d’automatismesprogrammables – Rockwell, Schneider Electricou Siemens – qui maîtrisent une technologie debus de terrain, intégrée de façon privilégiée dansleurs offres :

c CPU automates intégrant la connexion au bus,

c large gamme de modules d’E/S TOR,analogiques IP20 et IP65,

c nombreux équipements connectés duconstructeur et de partenaires, parfoisconcurrents :v distributeurs pneumatiques,v codeurs de position,


v variateurs de vitesse et produits de contrôled’axes,v robotsv identification : lecteurs code-barre, lecteursinductifs etc.v produits de dialogue Homme-machine,v produits spécifiques à un métier : vissage,soudage etc.v systèmes de vision,

c échanges E/S et remontée de diagnosticsharmonieusement intégrés dans le langage etles outils de programmation et de diagnostic,aussi bien pour les produits du constructeursque pour les produits partenaires.

Pour cela, les constructeurs ont mis en placedes programmes de partenariat pouraccompagner les constructeurs de produitsd’automatisme susceptibles de se connecter àleur bus. Ainsi, Schneider Electric, avec lesprogrammes Modconnect pour Modbus Plus, etFipconnect pour FIP, aujourd’hui fusionnés dansSchneider Alliances, propose à ses partenairesdes solutions matérielles et logicielles pourfaciliter le développement de leurs connexionsmais aussi des tests d’interopérabilité quiapportent aux clients communs toutes lesgaranties de bon fonctionnement.

Certes, il est dans ce contexte préférable que latechnologie de bus de terrain supportée par leconstructeur soit une norme garantie par unorganisme officiel et supportée par un club ouassociation à laquelle participent de nombreusesentreprises, y compris des utilisateurs. Demême, la crédibilité de la stratégie d’ouverturesuppose qu’elle autorise la connexion deproduits concurrents de ce constructeur. Mais s’ily a l’implication technique et financière d’unconstructeur majeur :c apportant des garanties de fonctionnement dubus qu’il maîtrise, particulièrement sur les aspectssystème, et performance globale, ce qui estimpossible avec des solutions trop hétérogènes,c sur lequel il peut assurer tout le supporttechnique nécessaire,c avec des équipements qu’il a validés, ycompris ceux de tiers,

cela rend plus crédible pour le client samotivation à le satisfaire.

Cette implication permet d’éviter les situations,fréquentes en matière de réseaux, danslesquelles chacun des fournisseurs de produitsconnectés sur un réseau se renvoie laresponsabilité des dysfonctionnements.

Enfin, cette solution permet de limiter lamultiplication des fournisseurs au seul besoinréel, à savoir, faire appel à un fournisseurnouveau lorsque celui-ci a une compétencenouvelle et spécifique dans un métier donné, parexemple :

c Utiliser un produit pneumatique ou de soudagelorsque le constructeur d’automate ne proposepas ce genre de produits.

c Choisir un produit concurrent à un produit duconstructeur d’automates lorsque le produit duconcurrent présente des avantages fonctionnels,techniques ou économiques par rapport auproduit équivalent du constructeur d’automates.

En s’appuyant sur la logique de constructiond’une architecture d’automatismes proposée parun grand constructeur d’automates, elle permetd’éviter les adaptations coûteuses en matériel,formation et maîtrise globale :c passerelles multiples,c outils hétérogènes…

L’interopérabilité aujourd’hui

Dans un passé proche, l’interopérabilité et laconformité ont préoccupé à juste titre lesutilisateurs, confrontés à desdysfonctionnements.

Aujourd’hui, tel n’est plus le cas :c Maturité des technologies réseau dans lemonde industriel.c Prise en compte de ces risques par lesconstructeurs en amont par des tests plusrigoureux (conformité et interopérabilité avecdivers équipements, y compris concurrents).c Normes mieux définies.c Souvent, garantie d’un grand constructeur surune technologie qu’il maîtrise.

L’interchangeabilité, elle, n’en est qu’à sesbalbutiements.


4 La pérennité

4.1 Enjeux

Une ou plusieurs technologies de bus de terrainayant été identifiées sur la base des critères decoût et de performances, et les garantiesobtenues sur le bon fonctionnement del’application d’automatisme visée avec cettetechnologie, l’utilisateur doit s’assurer de lapérennité de l’application, et en particulier de lapérennité de la technologie de bus de terrainchoisie.

Il s’agit pour l’automaticien d’avoir l’assuranceque les produits qu’il va utiliser auront une duréede vie (commercialisation puis maintenance)compatible avec ses besoins.

Les produits d’automatisme utilisés représententune part en général faible du coût global del’installation. Cette installation est lourde et n’apas vocation à être remplacée dans des délaiscourts : les durées de vie sont de l’ordre de 10 à20 ans. Or, les produits d’automatismes’appuient de plus en plus – en particulier avecl’introduction des bus de terrain – sur lestechnologies électroniques et informatiques dontles durées de vie sont nettement plus faibles etl’évolution permanente. Au vu des progrèsincessants de l’électronique, qui peut prédireavec certitude si une seule des technologiesactuelles sera encore utilisée dans 20 ans ?

4.2 Tendances

Avant de traiter de la pérennité, il est nécessairede préciser les voies dans lesquelles lestechniques évoluent.

Trois tendances se dessinent à ce jour :

Augmentation du champ d’application desbus

Une première tendance est la capacitécroissante des bus à couvrir plusieurs niveauxde la pyramide C.I.M. Chaque bus tented’évoluer pour élargir son champ d’application,donc, de manière pragmatique, son marchépotentiel. C’est la réponse, dans les limites de latechnologie, à la demande idéale des utilisateursde disposer d’un réseau unique, universel,répondant à l’ensemble de leurs besoins.

Compte tenu des possibilités techniquesactuelles, la principale tendance consiste en uneextension des bus de niveau 0 vers le bas duniveau 1, parallèlement à une extension des busde niveau 3 vers le niveau 2.

Ainsi, le bus AS-i évolue pour pouvoir gérer desinformations analogiques tandis que l’utilisationd’Ethernet, très présent au niveau 3, estévoquée pour le niveau 2, voire le niveau 1.

Des études sont faites sur sa capacité àrépondre aux besoins de ces niveaux, pourbénéficier de la réduction des coûts due à lagrande diffusion de cette technologie.

Un coupleur Ethernet est d’ores et déjàdisponible pour les modules d’Entrées / Sortiesde la famille MOMENTUM de Schneider Electric.Parallèlement, Les bus de terrain de niveau 1 et2, qui sont largement implantés dans l’industrieet satisfont convenablement aux besoins desutilisateurs, évoluent pour couvrir un domained’application plus large :c augmentation du débit du médium, pour demeilleures performances et couvrir mieux leniveau 2, voire le bas du 3 ;c nouveaux composants, connecteurs… moinschers et d’utilisation plus simple, pour s’étendrevers le haut du niveau 0 ;c catalogue toujours plus grand de produitsadaptés à des environnements spécifiques :v produits étanches,v modules compatibles avec des atmosphèresexplosives,v câbles résistant à toutes sortesd’environnements agressifs (milieux salins,acides, huiles, rayons solaires…) etc.


Fig. 11 : intelligence répartie dans les composantsd’automatismes.

c prise en compte du protocole TCP/IP pours’ouvrir à Internet et bénéficier de la vaguetechnologique à faible coût qui l’accompagne,tout en conservant les caractéristiques adaptéesà l’environnement industriel.

Il est donc difficile de dire aujourd’hui quelle seral’évolution sur ce point. Les différentes voiessont étudiées par les constructeurs.

Profils d’équipement

Aujourd’hui, les technologies de bus de terrainsont largement utilisées et apportent déjà plusque les bénéfices escomptés initialement. Lemarché est donc mûr pour passer à l’étapesuivante, si les utilisateurs y trouvent matière àde nouveaux gains, en coût en particulier. Untravail de normalisation de profils d’équipementsest en cours, auquel Schneider Electric participe.Il va toucher un nombre croissant de catégoriesd’équipements. Il faut donc s’attendre à unemultiplication des solutions reposant sur desprofils d’équipements. De plus, ces profilspermettent la définition d’objets d’automatismede haut niveau qui pourront faciliter le travail desutilisateurs :

c programmation,

c maintenance,

c interopérabilité,

c interchangeabilité, etc.

Répartition de l’intelligence

Enfin, après avoir permis le déport des entrées /sorties, et souvent la décentralisation del’intelligence, le bus de terrain ouvre aujourd’huila voie à la répartition de l’intelligence.

En effet, à l’origine, le concept d’automateprogrammable est avant tout un ordinateurdisposant d’interfaces d’entrées / sorties. Si cesinterfaces peuvent dorénavant communiqueravec l’ordinateur par un réseau, l’automate –simplement muni d’une interface réseau, commetout ordinateur aujourd’hui – perd touteparticularité.

Certes, ce discours est un peu simplificateur. Telquel, le PC n’intègre pas certaines valeursd’usage de l’automate comme la robustesse oula pérennité. Mais il existe déjà des cartesautomates pour PC qui permettent d’aller dansce sens sans rupture (en pensant toujours à lapérennité) et l’emploi des bus de terrain amplifieencore cette tendance.

L’architecture d’automatisme se ramène alors àun bus de terrain sur lequel sont raccordés :

c les différents composants d’automatisme quiintègrent tout ou partie de l’intelligence del’automate,

c les interfaces Homme-machine,

c le terminal de programmation, qui via le bus,répartit le programme dans les différentscomposants d’automatismes,

c éventuellement, une unité centrale d’automate,qui peut demeurer lorsque les composantsd’automatisme ne sont pas en mesure d’intégrertoute l’intelligence de traitement requise(cf. fig. 11 ).

Bus de terrain


4.3 Garanties de pérennité

La notoriété d’un standard a déjà été évoquéeparmi les garanties de bon fonctionnement.L’apparition de standard de fait pénétrantlargement un marché constitue également ungage de pérennité. Mais tout standard, mêmetrès répandu, est amené à évoluer ou àdisparaître. Cela se constate tous les jours dansl’informatique où même les standards les plusrépandus sont abandonnés car la pérennité neconstitue pas une contrainte forte dans cedomaine.

Face aux évolutions, la maîtrise simultanée desateliers de programmation et des technologiesréseau utilisées devient plus que jamaisfondamentale dans le monde des automatismes.L’utilisateur doit pouvoir s’appuyer sur unesociété capable de fournir avec ses partenairesun système complet, d’en assurer le bonfonctionnement et la maintenance corrective etévolutive. Face à la multiplication d’équipementshétérogènes et à la course technologiqueactuelle, les besoins de pérennité demeurent.Les constructeurs d’automates, conscients de cebesoin majeur de leurs clients, savent yrépondre par de longues durées decommercialisation et de maintenance. En dépitde l’évolution permanente des technologies surlesquelles ils s’appuient, ils savent aussi, lorsque

cela est nécessaire assurer des « migrationsdouces » vers ces nouvelles technologies partoutes sortes de solutions :c conversions d’applications automatisées,c passerelles,c maintien de la technologie précédente enparallèle avec la nouvelle technologie sur lesnouveaux produits.

À titre d’exemple, la durée de vie de protocolesde communication comme Modbus est sans égaldans le monde informatique.

La démarche de sociétés, dont le métier n’estpas axé sur la fourniture de solutions globalesd’automatisme et des besoins de pérennité quis’y attachent, qui n’apporteraient que la maîtrised’un produit et pas celle du bus auquel il seconnecte, peut conduire l’utilisateur à devoirtraiter lui-même les obsolescences à des coûtsprohibitifs.

Plus généralement, les outils matériels et logicielsutilisés par les automaticiens sont amenés à sebanaliser par l’arrivée de technologies issues dumonde Internet. Mais, dans ce contexte,l’automaticien aura plus encore besoin d’uninterlocuteur crédible, maîtrisant à la fois cesnouvelles fournitures matérielles et logicielles etles contraintes spécifiques à ce métier.


5 Conclusion

L’automate programmable a constitué unerévolution en introduisant les technologiesélectroniques et informatiques au cœur dessystèmes de contrôle de procédés automatisés.Le bus de terrain en constitue une deuxième enétendant ces mêmes technologies, mais aussiles techniques réseau, jusqu’aux capteurs etactionneurs. Présentes dans l’ensemble duprocédé, elles sont la base d’un énormepotentiel d’évolutions :

c Elles ont déjà, par étapes successivesbouleversé les architectures, apportant desgains pas toujours envisagés à l’origine. Lescompromis technico-économiques maintiennentencore pour un moment les solutionstraditionnelles en parallèle.

c Au delà, les traitements eux-mêmes sont remisen cause : décentralisation puis répartition del’intelligence. Cela nécessite, en plus de latechnologie, un travail de normalisation : il estdéjà engagé et ne manquera pas de sepoursuivre dans les prochaines années.

c Enfin, elles drainent avec elles d’innombrablesinnovations pouvant révolutionner lesautomatismes: Java, Corba, internet, Active X…

Parallèlement aux évolutions amenées par lestechnologies, on peut s’attendre à une certainerationalisation de l’offre : l’utilisateur s’enfélicitera. Une augmentation des performances

des bus et donc de leur champ d’application estinéluctable même si le bus universel capable derépondre à tous les besoins n’existera sansdoute jamais.

Face à ces bouleversements, l’utilisateur doitcertes faire preuve de prudence et garder àl’esprit les contraintes spécifiques de son métier(environnement, pérennité…). Mais il doit toutautant prendre garde à ne pas rater le train enmarche.

En particulier pérennité ne doit pas êtreconfondue avec immobilisme. Pour l’utilisateur,la pérennité c’est :c la garantie d’une disponibilité des produitspendant longtemps,c mais aussi (et peut-être surtout) des solutionsde migration douce lorsqu’il a estimé qu’unenouvelle technologie apparue était rentable pourlui.

En investissant dans les technologies à base debus de terrain,c il en tirera dès aujourd’hui les avantagesreconnus (réductions de coûts, souplesse,capacités de diagnostic…)

c il sera mieux armé pour juger de chacune desévolutions rapides à venir, influer sur celles-ci,voire les demander à ses fournisseurs, plutôtque les subir.


Annexe

Mécanismes d’accès au médium

Ce paragraphe explique le principe de base dequelques-uns des mécanismes d’accès aumédium les plus courants. On distingue lesmécanismes déterministes (cf. §2.2) et lesmécanismes non déterministes.

Mécanismes déterministes

c Maître-esclaveDans un mécanisme d’accès au médium de typemaître-esclave, un seul équipement, le maîtreest à l’initiative de tous les échanges, les autreséquipements, les esclaves, se contentant derépondre lorsque le maître le leur demande. Ceprincipe se retrouve sur bon nombre de réseauxbasés sur une liaison série de type RS 485 avecdes protocoles comme Modbus. Dans ce cas,les échanges sont programmés par l’utilisateur,et si des événements applicatifs aléatoires sontsusceptibles de déclencher de tels échanges, leréseau n’est pas déterministe. Par contre, onpeut s’appuyer sur ce mécanisme pour définirune scrutation cyclique par le maître d’informationssur un nombre défini d’équipements.

Le temps nécessaire pour interroger l’ensembledes équipements constitue un temps de cycle,qui est le délai maximum pour chaqueéquipement pour transmettre ses informations.C’est ce principe qui est utilisé par exemple avecle bus AS-i.

c Arbitrage de busLe mécanisme est assez voisin du précédent(mécanisme maître-esclave avec définition ducycle de scrutation des équipements) dans lesens où un seul équipement, l’arbitre de bus,attribue un droit de parole à tour de rôle à

chacun des autres équipements. La principaledifférence est que chacun des équipements,lorsqu’il fait usage de son droit de parole, peutadresser ses informations à n’importe quel autreéquipement, ou même à tous simultanément(diffusion).C’est ce principe qui est utilisé par exemple avecle bus WorldFIP.

c Bus à jeton (token ring)Un tel mécanisme est défini par la norme8802.4. Un jeton, correspondant à un droit deparole, passe de station en station, selon unordre déterminé. Chaque station peut émettrevers n’importe quelle autre station tant qu’ellepossède le jeton mais ne peut garder celui-cique pour une durée limitée, définie parconfiguration. C’est ce principe qui est utilisé surle réseau Modbus Plus.

Mécanismes non déterministesc CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection.Il s’agit du principe d’accès au médium utilisé surles bus de type Ethernet (norme ISO 8802.3).Un équipement souhaitant émettre une trame,tente de la transmettre puis vérifie qu’il n’y a paseu de collision (i.e. qu’un autre équipement n’apas essayé d’émettre au même moment). Encas de collision, il effectue une nouvelle tentativeaprès une attente de durée aléatoire.

Ainsi, le temps de transfert d’une trame est lié audélai au bout duquel la collision est évitée : il estdonc une fonction statistique du nombred’équipements essayant d’émettre des trames,donc de la charge du réseau.

Partage de la bande passante

Certains bus permettent de garantir les délais detransfert de certaines informations (typiquementdes entrées / sorties déportées d’un automate)tout en conservant une partie de la bandepassante pour faire transiter des informationsdont les délais de transfert ne sont pas critiques.

Illustration avec WorldFIPLe bus WorldFIP est basé sur le déroulement parl’équipement possédant la fonction d’arbitragede bus d’un cycle réseau, ou macro-cycle,composé de cycles élémentaires de mêmedurée et de structure identique.


Fig. 12 : le macro-cycle WorldFIP.

t

A

B

C

D

E

F

A

B

E D

A

C

A

D

A

D

A

B

E

A

B

C

D

E

F

A

B

E D

A

C

A

D

A

D

A

B

E

CE1

CE : Cycle ElémentaireLes lettres A, B C D E et F représentent des variables cycliques

CE2

Bande passante

100%

CE3

Macrocycle n

CE4 CE5 CE6 CE1 CE2 CE3 CE4 CE5 CE6

Macrocycle n+1

Echa

nges apériodiques + bourrage

La durée d’un cycle élémentaire est elle-mêmedécoupée en fenêtres de temps allouées :c au trafic cyclique (ou périodique) variables et /ou messages,c au trafic apériodique variables,c au trafic apériodique messages,c au maintien de la synchronisation de tous lescycles élémentaires.

Chaque portion du trafic cyclique est allouée unefois pour toutes à une donnée du procédé : parexemple Entrées et Sorties des équipements. Aucontraire, le trafic apériodique correspond à untemps alloué mais utilisé uniquement surdemande (cf. fig. 12 ).

Ainsi, trois types d’échanges se partagent labande passante d’un réseau WorldFIP :c Les variables cycliques (ou périodiques), pour lesfonctions de contrôle commande temps critique.

c Les variables apériodiques, transmises à lademande sur changement d’état.

c La messagerie, elle aussi apériodique, pourles fonctions de téléchargement et demaintenance.

La part de la bande passante allouée à chacunde ces flux est un élément important d’uneconfiguration WorldFIP. C’est en privilégiant l’unou l’autre de ces flux que l’on spécialisera unréseau pour une application de typeautomatisme réflexe ou coordination entreéquipements de contrôle et dialogue opérateur.

On peut ainsi comparer un réseau WorldFIP àun tuyau dans lequel circulent différents types dedonnées, le « niveau » de chaque type dedonnée étant déterminé par configuration(cf. fig. 13 page suivante).


Fig. 13 : WorldFIP : un tuyau au niveau d’eau réglable. Illustration : FIPIO et FIPWAY.

Messages et variables apériodiques

Trafic utilisé à la demande, disponible tel l'air dans un tuyau

FIPWAY FIPIO

Variables cycliques (temps critique)

trafic incompressible,tel l'eau dans un tuyau

Illustration avec Interbus-S

Il s’agit d’un mécanisme « d’anneau point àpoint », une trame unique circule d’équipementen équipement :

A chaque passage de la trame, un équipementlit la partie de celle-ci contenant les valeurs deses entrées et écrit la partie de celle-cicontenant les valeurs de ses sorties. En plus decela, la trame contient de 0 à 4 mots de 16 bitspouvant contenir un fragment de message(quatre mots étant en général insuffisants pourtransmettre l’intégralité du message), permettantla transmission d’un tel fragment à chaque cycledu bus.

Par exemple, pour un canal messagerie de1 mot le débit par esclave est de 256 octets/s sile cycle comporte 32 esclaves et 1024 E/S.

Illustration avec MODBUS PLUS

De même MODBUS PLUS offre simultanémentdes fonctionnalités nécessitant un mécanismedéterministe, comme la mise à jour cyclique desentrées / sorties, et d’autres qui se passent decette contrainte, comme la programmation enligne. Des « sessions logiques » assurent unemécanique propre, et donc dédiée à cesdifférentes fonctionnalités.

Cas de AS-iSur AS-i, a contrario, tous les échanges sontcycliques : les entrées / sorties des équipementscirculent un fois toutes les 5 ms tandis que lesparamètres de chaque équipement circulent unefois tous les 31 cycles. Aucun traficsupplémentaire ne peut être ajouté à cela.De ce fait, AS-i ne supporte pas de messagerie.Cela n’est clairement pas sa cible.

Le modèle OSI de l’ISO

Le modèle OSI (Open System Interconnection)défini par l’ISO (International StandardOrganization) segmente les fonctionnalités d’unsystème communiquant selon 7 couches. Cescouches vont des fonctions les plus proches duréseau (câble…) jusqu’aux fonctions les plusproches des besoins en communication del’équipement (nature et sens des informationséchangées…) (cf. fig. 14 ) :

Le principal objectif de cette découpe est depermettre de changer de norme pour unecouche indépendamment des autres. Ainsi, parexemple, une liaison paire torsadée peut être

localement remplacée par une liaison fibreoptique pour traverser une zone sujette auxperturbations électromagnétiques, toutes lesfonctions des autres couches restant identiques :contenu des informations, adressage desmessages, mécanisme d’accès au médium…

Néanmoins, tous les réseaux n’utilisent pastoutes les couches. C’est en particulier le casdes bus de terrain qui s’appuient pour la plupartsur une découpe en 3 couches : 1, 2 et 7. Cecisimplifie le fonctionnement des coupleurs decommunication et autorise des performancesélevées et des coûts bas.


Fig. 14 : le modèle OSI.

Définit la nature des informations échangées : messagerie, transfert de fichiers…

Définit la représentation des informations : encodage (là ou la couche 7 traite de la sémantique, la couche 6 traite de la grammaire), éventuellement, compression ou cryptage de l'information.

Gère la notion de session, intervalle de temps pendant lequel deux équipements sont en communication (notion de "décrocher et raccrocher") et reprise de contexte suite à interruption.

Transport de l'information de bout en bout entre deux stations distantes : segmentation des trames…

Gère l'adressage des informations : qui est le destinataire de mes messages, numéro d'équipement ou de station, sur quel réseau…

Définit la nature du support physique de la communication et le codage de l'information : type de câble, transmission hertzienne, connecteurs, signaux électriques, codage binaire de l'information…

Gère le contrôle et le flux des informations. CRC et réitérations associées…

Gère le partage de l'accès au médium (CSMA/CD, arbitrage de bus…)

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison dedonnée

Physique

7

6

5

4

3

2

1

sous-couche LLC

sous-couche MAC


Bibliographie

Cahiers Techniques Schneider Electric

c Initiation aux réseaux de communicationsnumériques.E. KŒNIG, Cahier Technique n°147.

Ouvrages divers

c Les réseaux locaux industriels.F. LEPAGE, Hermès -Traité des nouvelles technologies.Série Automatique

c Les bus de terrain.G. FAGES, Schneider Electric, CollectionTechnique.

Adresses Internet

c Sites généralistes(contiennent de nombreux liens)http://cran.esstin.u-nancy.fr/CRAN/Cran/ESSTIN/FieldBus.htmlhttp://www.fieldbus.comhttp://www.infoside.dehttp://www.shipstar.comhttp://www.industrial-networking.com

c Sites relatifs aux principaux bus d’automatismehttp://www.as-interface.comhttp://www.can-cia.dehttp://www.controlnet.orghttp://www.devicenet.orghttp://www.industrialethernet.comhttp://www.industrial-ethernet.comhttp://www.fieldbus.orghttp://www.worldfip.orghttp://www.interbusclub.comhttp://www.modbus.orghttp://www.profibus.com

c Sites Schneider Electrichttp://www.schneider-electric.comhttp://www.schneiderautomation.comhttp://www.schneideralliances.comhttp://www.transparentfactory.com

Schneider Electric Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Télécopie : (33) 04 76 57 98 60

Réalisation : AXESS - Saint-Péray (07).Edition : Schneider ElectricImpression : Imprimerie du Pont de Claix - Claix - 1500.- 100 FF- ©

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