INTRODUCTION AUX RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS Présenté par Philippe LELASSEUX Enseignant-Chercheur à l ’IUT GEII de Brive Option RLI

Introduction aux Réseaux Locaux Industriels ou Bus de Terrain I) Définir le Bus de Terrain II) Avantages et Inconvénients III) Hier et Aujourd’hui IV) Classification V) I.S.O. et Bus de Terrain VI) Exemples VII) TCP/IP et Bus de Terrain

I) Définir le Bus de Terrain TERRAIN = Délimite une zone géographique (Usine,Atelier,Voiture...) BUS = Ensemble des fils utilisés pour l ’échange de données entre différents circuits électroniques RESEAU =Ensemble de lignes de communication qui desservent une même unité géographique

I) Définir le Bus de Terrain BUS DE TERRAIN = Réseau de Communication Numérique reliant différents types d ’équipements d ’automatisme M V

BUT INITIAL: Remplacement des boucles de courant 4-20 mA M V

Mais aussi : * DISTRIBUTION : Décentralisation du contrôle, Traitement des alarmes, Diagnostics * INTELLIGENCE : Déportée au niveau de ces équipements * INTEROPERABILITE : Système ouvert M V

II) Avantages et Inconvénients REDUCTION DES COUTS : Réduction massive du câblage Possibilités de réutiliser le câblage existant Réduction du matériel nécessaire à l ’installation REDUCTION DES COUTS DE MAINTENANCE Complexité moindre => Fiabilité accrue Maintenance plus aisée : Dépannage « On Line » Outils dédiés Flexibilité pour l ’extension du bus

II) Avantages et Inconvénients PERFORMANCES GLOBALES ACCRUES: Précision de la communication numérique Informations sont disponibles à tous les équipements Dialogue entre 2 équipements est directe Structure Distribuée permet un éclatement de l ’algorithme en plusieurs tâches Interopérabilité : Connexion d ’équipements hétérogènes

II) Avantages et Inconvénients INCONVENIENTS: Prise en compte de l ’information en Temps Réel Sécurité des informations Choix du réseau Topologie Accès au bus Vitesse Médium Standard ou Propriétaire Coût direct du prix du Bus de Terrain

III) Hier et Aujourd’hui 1940 Process de contrôle de capteurs de pression 1960 Standard de la boucle de courant 4-20 mA 1970 Boom des processeurs => API 1980 Bus de terrain propriétaires 1992 Standardisation de la couche physique 1994 Fieldbus Foundation = WorldFIP (World Factory Information Protocol) EUROPE ISP (Interoperable System Project) USATopologie 1998 Standardisation de la couche Liaison

III) Hier et Aujourd’hui CONSTAT: Nombre de bus de terrain en Europe: 1995 : 10 000 2000 : 70 000 Fort accroissement du nombre de bus de terrain dans le monde ( sauf en France) La Standardisation a assaini l ’offre, mais il reste encore trop de standards et beaucoup trop de bus propriétaires Il existerait 2000 Bus de Terrain différents

III) Hier et Aujourd’hui Standard IECC 61158: Regroupe 8 bus de terrain différents sous le même standard ControlNet Foundation Fieldbus - H1 Foundation Fieldbus - HSE Interbus P-Net Profibus SwiftNet WorldFip

L'INTEGRATION IV) CLASSIFICATION FONCTIONS SYSTEMES INFORMATIONS GESTION ENTREPRISE CALCULATEURS FICHIERS USINE CONTRÔLE PRODUCTION MICRO-ORDINATEUR ATELIER TABLEAUX COMMANDE CENTRALISEE SUPERVISION MESSAGES CELLULE AUTOMATISATION API CONTROLEURS REGULATEURS MACHINE MOTS DONNEES CAPTEURS ACTIONNEURS BITS TERRAIN PYRAMIDE CIM (Computer Integrated Manufacturing)

IV) CLASSIFICATION Temps de réponse VOLUME DE DONNEES USINE TEMPS NON CRITIQUE TRAITEMENT DE DONNEES ATELIER TEMPS > 10 s CELLULE TEMPS < 1 s TRAITEMENT DE DONNEES EN TEMPS REEL TEMPS < 0,1 s MACHINE T < 0.01 s TERRAIN PYRAMIDE CIM (Computer Integrated Manufacturing) Temps de réponse

IV) CLASSIFICATION INTERNET RESEAUX INFORMATIQUES BUS D ’USINE ATELIER BUS D ’USINE CELLULE MACHINE BUS DE TERRAIN BUS SENSEUR/ACTEUR TERRAIN

IV) Classification (Bus d ’usine:) BUS DE TERRAIN Réseau Local Industriel basé sur ETHERNET Un PC Industriel sert de passerelle entre le réseau informatique et le bus de terrain BUS DE TERRAIN Relie des unités intelligentes qui coopèrent Temps de réaction de quelques millisecondes Communication de type Maître/Esclaves ou MultiMaîtres Possibilités d ’accès au niveau inférieur BUS SENSEUR/ACTEUR ( ou Capteur/Actionneur) Relie entre eux des nœuds à intelligence limitée ou nulle( E/S déportées) Temps de réaction très rapide Communication Maître/Esclaves

IV) CLASSIFICATION E T H R N PYRAMIDE CIM et les Réseaux TCP/IP RNIS SATELLITE MODEM IV) CLASSIFICATION T O K E N R I G E T H R N E T H R N USINE ATELIER CELLULE PROFIBUS FMS WORLDFIP BITBUS PROFIBUS-DP INTERBUS-S LONWORKS CAN MACHINE PROFIBUS-PA AS-i TERRAIN PYRAMIDE CIM et les Réseaux

V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN Le Modèle I.S.O. Le modèle d ’Interconnexion des Systèmes Ouverts (I.S.O) de l ’Organisation de Standardisation Internationale (O.S.I)sert de référence à tous les systèmes de communication. Interface avec l ’application 7 APPLICATION Représentation des données 6 PRESENTATION Synchronisation du dialogue SESSION 5 TRANSPORT Connexion entre les 2 hôtes distants 4 3 RESEAU Routage=Acheminement des paquets 2 LIAISON Construction des trames + Détection des erreurs 1 PHYSIQUE Codage des bits + Caractéristiques électriques

V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN Le Modèle I.S.O. possède 7 couches Couches de 1 à 4: couches basses chargées d ’assurer un transport optimal des données Couches 5 à 7: couches hautes chargées du traitement des données APPLICATION 7 6 5 4 3 2 1 PRESENTATION SESSION TRANSPORT RESEAU LIAISON PHYSIQUE APPLICATION 7 6 5 4 3 2 1 PRESENTATION SESSION TRANSPORT RESEAU LIAISON PHYSIQUE PROTOCOLE MESSAGES SERVICE PAQUETS TRAMES BITS SUPPORT PHYSIQUE

V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN Le Bus de Terrain Le bus de Terrain est basé sur la restriction du modèle I.S.O. à 3 couches. APPLICATION 7 6 5 4 3 2 1 LIAISON PHYSIQUE Les couches 3 à 6 sont vides: Pas d ’interconnexion avec un autre réseau Couche Liaison = L..L.C. : Logical Link Control M.A.C. : Medium Access Control

V) I.S.O. et BUS DE TERRAIN COUCHE LIAISON : L.L.C. : Logical Link Control Filtrage des messages Recouvrement des erreurs bit/trame Notification de surcharge 7 APPLICATION M.A.C. : Medium Access Control Mise en trame: émission/réception Détection et signalisation du bit erreur Arbitrage: gestion de l ’accès au médium LLC 2 MAC 1 PHYSIQUE

VI) EXEMPLES

1) AS-i (Actuator Sensor Interface) Le Standard International pour le bus de terrain de plus bas niveau ALIM Puissance + - - Réseau de Capteurs / Actionneurs 1 2 1 2 3 4 4 3 1 2 3 4

Caractéristiques de AS-i PHYSIQUES Topologie: Libre Médium: Câble 2 fils non blindés Distance: 100m (300 répéteurs) Nombre de nœuds: 31 esclaves COMMUNICATION Principe de communication: Maître/Esclave par polling Vitesse: temps de cycle < 5ms Taille des données: 4 bits DIVERS Esclave = 4 entrées TOR+ 4 sorties TOR + 4 bits de paramétrage E/S analogique possible Données et puissance sur le même câble (jaune)

2) PROFIBUS DP (Distributed Periphericals) PHYSIQUES Topologie: Libre Médium: Paire torsadée, fibre Distance: 100m à 12 Mbps 1200m à 9.6 Kbps Nombre de nœuds: 127 COMMUNICATION Principe de communication: Maître/Esclave Vitesse: 9.6 Kbps à 12 Mbps Taille des données: 244 octets DIVERS Profibus PA dépend d ’un maître sur Profibus DP vitesse=31.25 Kbps Données et puissance sur le même câble PROFInet bus de terrain sous TCP/IP devrait remplacer Profibus FMS

VII) TCP/IP et Bus de Terrain Les réseaux informatiques ont généralement tous adoptés le protocole TCP/IP APPLICATION 7 6 5 4 3 2 1 PRESENTATION SESSION TRANSPORT RESEAU LIAISON PHYSIQUE 7 TELNET,FTP,WEB 6 XDR RPC 5 4 TCP 3 IP 2 ETHERNET 1 INTERNET = Connexions de l ’ensemble des réseaux TCP/IP TCP/IP peut-il envahire les Réseaux Locaux Industriels ?

Contre TCP/IP Protectionisme commerciale et politique Chaque Bus de Terrain a ses propres caractéristiques et avantages TCP/IP n ’est pas temps réel Capacité mémoire importante et processeur puissant Mauvaise protection (sûreté de l ’information)

Pour TCP/IP Le PC Industriel est présent dans le secteur industriel Faible coût des cartes Ethernet pour PC Protocole TCP/IP bas niveau = Sockets BSD Interconnexion existante : ponts, routeurs, passerelles INTERNET Télémaintenance Supervision A Distance

TCP/IP aujourd’hui dans l’industrie EasyIP: solution FESTO à travers TCP/IP

TCP/IP aujourd’hui dans l’industrie AIDIAG Premium (Schneider) Permet l ’analyse et la mise au point d ’installation automatisée Envoi automatique par Email des enregistrements

TCP/IP aujourd’hui dans l’industrie E/S déportées sur ETHERNET TCP/IP (WAGO Contacts)

CONCLUSION Le bus de terrain est présent dans tous les milieux industriels L ’automaticien d ’aujourd’hui doit avoir de nombreuse compétences: automatique, automate programmable, capteurs, pneumatique, hydraulique, électrotechnique, informatique… Réseaux Locaux Industriels Les bus de terrain permettent l ’échange de données entre: un automate et des capteurs/actionneurs des automates des automates et un PC

CONCLUSION TCP/IP est de plus en plus présent en automatisme: La Supervision sur PC a fait accélérer ce mouvement Plusieurs constructeurs remplacent leur réseau local industriel ETHERNET par une solution TCP/IP Plusieurs constructeurs amène TCP/IP jusqu ’au niveau terrain TCP/IP et ETHERNET devrait prendre de plus en plus de place en automatisme, mais il ne remplacera pas les bus de terrain