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69 CHAPITRE V : Les réseaux de terrain 1. Introduction Généralement le terme «

69 CHAPITRE V : Les réseaux de terrain 1. Introduction Généralement le terme « réseau de terrain » regroupe tous les bus de communication utilisés dans le monde industriel, néanmoins, on peut distinguer trois bus de complexités différentes : - Le réseau d’usine : c’est un réseau local industriel basé sur Ethernet de type MAP - Le réseau d’atelier : pour relier les unité intelligentes ou à intelligence limité. - Le réseau de terrain ou capteurs/actionneurs pour relier les nœuds à intelligence limitée ou nulle. Le niveau terrain est le plus proche de la production; il correspond aux différentes machines qui assurent la fabrication, la transformation, l’assemblage autour d’un objet ou d’un ensemble. Le réseau de terrain (fieldbus) est un réseau local industriel. Il est qualifié d’industriel car orienté production et local car établi dans une partie de ce site de production que constitue une entreprise. C’est un réseau de communication numérique reliant différents types d’équipements d’automatisme intelligents ou à intelligence limitée pour permettre leur coopération tel que : les capteurs, les actionneurs, les automates programmables, les machines à commande numérique, les robots, les calculateurs ...etc. Dans les réseaux de terrain, la taille des messages échangés est assez faible comparativement aux autres types de réseaux, locaux ou à grandes distances. Les flux d’information sont plutôt périodiques et l’aspect contrainte de temps (temps réel) est prioritaire. Les réseaux de terrain fonctionnent au sein d’environnements perturbés du point de vue électromagnétique, le support utilisé est généralement un câble coaxial blindé ou une paire torsadée travaillant en mode différentiel ou encore une fibre optique pour une plus grande immunité au bruit. Les distances de communications sont assez faibles par rapport aux autres types de réseaux, souvent inférieures à quelques dizaines de mètres. Une topologie en bus est généralement adoptée pour sa facilité de mise en place, d’évolution (ajout ou retrait de systèmes) et d’extension (répéteurs). Les réseaux de terrain sont de plus en plus intégrés dans le monde industriel. En 2000, l’Europe utilisait plus de 700,000 réseaux de terrain. 70 La standardisation des réseaux de terrain a connu un accouchement difficile. La UIT l’a pris en charge, mais les pressions des différents groupes d’intérêts industriels ont retardé l’apparition d’un standard international et a conduit à l’apparition des solutions propriétaires appelées « standards de fait ». On trouve aujourd’hui deux types de standards de réseaux de terrain : - Standards de faits : tel que Interbus, LONWorks, - Standards internationaux : tel que : WorldFIP(Europe), Profibus( USA) 2. Avantages des réseaux de terrain Le but initial des bus de terrain était de remplacer les anciens systèmes centralisés en distribuant le contrôle, le traitement des alarmes, le diagnostique aux différents équipements qui sont devenus de plus en plus intelligents. Système de contrôle Capteurs / Actionneurs Fig 55 – Système de contrôle direct Système de contrôle Cartes de contrôle Capteurs / Actionneurs Fig 56 – Systèmes de contrôle distribué 71 Fig 57 – Bus de terrain Les anciens systèmes de communication industriels utilisaient la boucle de courant 4- 20 mA, qui est un moyen de transmission analogique permettant de transmettre un signal analogique sur une grande distance sans perte ou modification, pour relier les équipements aux machines de contrôle : Controlleur Controlleur 72 Capteur Actionneur Capteur Actionneur Fig 58 – Boucle de courant 4-20 mA Après l’apparition de la communication numérique, cette technique a été rapidement remplacée par les bus de terrain. Cela permet plusieurs avantages: 1- Réduction des coûts initiaux : - Réduction massive du câblage : un seul câble en général pour tous les équipements au lieu d’un par équipement - Possibilité de réutiliser le câblage analogique existant dans certains cas - Réduction du temps d’installation - Réduction du matériel nécessaire à l’installation 2- Réduire le coût d’exploitation en : - Augmentant les performance de l’automatisme - Réduisant les coûts des extensions futures. 73 3- Réduction du coût de maintenance - Complexité moindre donc moins de maintenance (fiabilité accrue) - Maintenance plus aisée : temps de dépannage réduit, localisation des pannes possibles grâce à des diagnostics en ligne («on line») donc à distance - Outils de test dédiés (programmes analyseurs...) - Flexibilité pour l’extension du bus de terrain et pour les nouveaux raccordements. La distribution du contrôle et sa numérisation permettent d’atteindre des performances intéressantes dans les réseaux de terrain : - Précision : communications numériques : la donnée numérique transférée est sans erreur de distorsion, de réflexion... contrairement à un signal analogique - Les données et mesures sont généralement disponibles à tous les équipements de terrain - Communications possibles entre deux équipements sans passer par le système de supervision - La structure distribuée permet de faire résider des algorithmes de contrôle au niveau de chaque équipement de terrain (chaque noeud) - Accès à des variables multiples pour un noeud 3. Classification Généralement, on regroupe sous le terme «bus de terrain» tous les bus de communication industriels. On distingue néanmoins par complexité décroissante : - Le bus d’usine : réseau local industriel basé sur Ethernet de type MAP ou TOP (se rapproche du réseau local IP) - Le bus de terrain («Feld Bus») - Le bus de bas niveau («Sensor Aktor Bus») : bus capteur/actionneur Bus de terrain : - Permet l’envoi de trames de quelques dizaines d’octets à 256 octets... - Temps de réaction de quelques ms à quelques dizaines de ms 74 - Relie de unités intelligentes qui coopèrent dans l’exécution de travaux (coopération de tous les noeuds) - Communications Maître/Esclave ou Multimaître - Possibilité d’accès au niveau inférieur (capteur/actionneur) Bus capteur/actionneur : - Relie entre eux des noeuds à intelligence limitée ou nulle - Temps de réaction primordial - Limitation du nombre de données à faire circuler sur le bus (trame unique, fixe, cyclique (Interbus) ou trame avec protocole (CAN) Dans nos jours, il existe plus d’une cinquantaine de spécifications différentes de réseaux de terrain (CAN, LON, Profibus-FMS/PA, WorldFip, Interbus, Profibus-DP, AS- Interface, Bitbus, Arcnet, Sercos, Modbus Plus, P-net, FAIS, EIBus, VAN, PLAN, Sibus, Batibus, Hart, Modbus/Jbus, Bus DIN, etc.) La figure suivante donne une classification de quelques réseaux de terrain selon la complexité de leurs équipements et le flot d’informations échangées. Fig 59 – Classification des bus de terrain selon la complexité La figure suivante donne une classification des réseaux de terrain selon le niveau de contrôle dans le quel ils sont utilisés, et selon les applications réalisées. 75 SDS Interbus S Lonworks CAN Worldfip Fipio AS-I Fipway Profibus-DP Fieldbus Fig 60 – Classification des bus de terrain selon les fonction Les réseau de bas niveau sont très diverses aussi, la figure suivante montre les différents types de capteurs et d’actionneur et leur utilisation ainsi que les réseau capteurs/actionneurs qui les utilisent : Capteurs Actionneurs Capteur et traitement (traitement d’image) Capteurs intelligents (identification) Capteurs numériques (position-vitesse) Capteurs analogiques (température-pression) Cellule optique (recherche de défaut) Contacts élémentaires (fin de course) Commande complexe Commande d’asservissement Commande de régulation Commande de type numérique ou analogique (pilotage de vanne) Démarrage de moteur (Contacteurs) Fig 61 – Champs d’application des réseaux capteurs/actionneurs 76 4. Etude de cas: a. World FIP (Factory Instrumentation Protocol) C’est un bus de terrain Français à l’initiative du ministère de l’industrie en 1982. C’est un standard de fait qui respecte la norme OSI de l’ISO (couches 1,2,7) 1) Couche physique  Utilise une paire torsadée blindée de 150 avec une paire supplémentaire en cas de défaillance.  Nombre maximum de nœuds est au plus 32 par segment  Quatre repeteurs au plus  Codage Manchester  Débits normalisés  31.25 Kb/s jusqu’à 1900 m  1 Mb/s jusqu’à 750 m  2.5 Mb/s jusqu’à 500 m  25 Mb/s grâce à FIP HSF (High Speed FieldBus)  Topologie étoile, anneau ou bus. Segment d’un bus de terrain 1Mb/s Maximum 750 m Terminateur Noeud Noeud Noeud Maximum 32 noeuds Fig 62 – Réseau FIP 2) Couche liaison Noeud Vers d’autres segments (Max 4)  Utilise le code CRC 16 bits  Réseau à arbitre de bus de type P/C pour l’échange des : - Variables cycliques (périodiques) temps critique toujours transmises - Variables événementielles temps critiques (apériodiques) : alarmes - Messages non temps critique transmises si possible (maintenance). 3) Couche application Modèle client/serveur Messagerie MMS 77 b. Interbus Interbus est un standard de fait (1987) développé par Phoenix Contact, spécialiste des capteurs/actionneurs et qui respecte le modèle OSI (1,2,7) C’est réseau de bas niveau développé initialement pour interconnecter des automates programmables. 1) Coche physique  Topologie en anneau (2 paires torsadées)  Nombre maximum de nœuds 256  Débit brut égale à 500 Kb/s  Débit utile 300 Kb/s  Fonction de répéteur réalisée par chaque nœud traversé.  Longueur maximale égale à 12.8 Km Carte maître d’interbus max 4 Km Bus inter – stations max 12.8 Km Carte de contrôle Carte de contrôle Carte de contrôle Charte de contrôle C C C C A A A A C C C C 2) Couche liaison Fig 63 – Réseau Interbus  Utilise une trame de type TDMA (Time Division Multiple Access)  uploads/Management/ reseaux-terrain.pdf