Réseaux industriels Master instrumentation - électronique Centre Universitaire El Wancharissi – Tissemsilt 2019/2020 1 Chapitre 1 Généralités sur les bus de terrain 2 Plan • • • • • • • • • Définition d’un bus de terrain, Avantages et inconvénients, Historique : boucle de courant 4-20 mA, La normalisation des bus de terrain, - La pyramide CIM, - Les modèle OSI, TCP/IP les réseaux de terrains, Les différents réseaux de terrain (WorldFIP, INTERBUS, ASi, CAN, LonWorks, Profibus, Ethernet, Autres réseaux de terrain) 3 Introduction • Dans les environnements industriels d’aujourd’hui, la plus part des tâches se font d’une façon automatique ce qui maximise les taux de production, garantit une meilleure sécurité du personnel, et augmente la rentabilité de l’industrie en générale. • les réseaux de communication jouent un rôle important dans les solutions automatisées. 4 Bus de Terrain • TERRAIN : un endroit, l’espace ou quelque chose de limité géographiquement (atelier, usine, voiture,…) • BUS (au sens informatique industrielle) : conducteur ou ensemble de conducteurs communs à plusieurs circuits permettant l’échange de données entre eux • RESEAU : ensemble de lignes de communication permettant l’échange de données (informations) entre les différents systèmes éloignés, 5 Définition Un réseau local industriel, en une première approximation, est un réseau local utilisé dans une usine ou tout système de production pour connecter diverses machines afin d’assurer la commande, la surveillance, la supervision, la conduite, la maintenance, le suivi de produit, la gestion, …… le terme « réseau de terrain » regroupe tous les bus de communication utilisés dans le monde industriel. 6 types de réseaux On distingue donc trois types de réseaux : • Le réseau d’usine : c’est un réseau local industriel basé sur Ethernet, irrigue l’ensemble de l’usine, interconnectant des ateliers, des cellules avec des services de gestion, des bureaux d’études ou des méthodes . • Le réseau d’atelier : connecte, dans une cellule ou un atelier, les dispositifs de commande de robots, de machines-outils, de contrôle de la qualité (lasers, machines à mesurer). • Le réseau de terrain connecte les capteurs, les actionneurs et les dispositifs comme les automates, les régulateurs et plus généralement tout matériel supportant des processus d’application ayant besoin d’avoir accès aux équipements de terrain. 7 8 Avantages (1) Reduction des couts initiaux : • Réduction massive du câblage. • Possibilité de réutiliser le câblage analogique existant dans certains cas. • Réduction du temps d'installation. • Réduction du matériel nécessaire à l'installation. 9 Avantage (2) Reduction des couts 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 , - possibilités de télé-diagnostic, télé-dépannage, télé-configuration. • Outils de test dédiés (analyseur...) • Flexibilité pour l'extension du bus de terrain et pour les nouveaux raccordements 10 Avantage (3) Performances globales accrues : • 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 2 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 11 Avantages (4) Autres avantages • Interopérabilité importante grâce au souci de standardisation (système ouvert) aux niveaux hard et soft • Choix pour l'utilisateur final : prix, performances, qualité... • Le standard profite à l'utilisateur et non pas au vendeur • Possibilité de connexion d'équipements de différents fournisseurs respectant le même standard • Echange de données par des mécanismes standard (protocoles) • Modélisation objet des équipements et de leur fonctionnalité : modèle de bloc fonctionnel aidant l'utilisateur à créer et superviser son bus de terrain 12 Limites (1) •CONNAISSANCES SUPERIEURES (liés au fait de devoir accéder à une nouvelle technologie) Compétences rares : la maîtrise des réseaux de communication industrielle demande une formation spécifique •Topologie, fonctionnement et accès au bus : conflits, arbitrage, protocoles, … •Sécurité des informations transportées : gestion des erreurs •Supports physiques •ABSENCE DE NORMALISATION au niveau international (la norme IEC 61158 est un échec) 13 Limites(2) • CHOIX ENTRE SOLUTIONS PROPRIETAIRES ET STANDARDS (Solution « Bus de terrain » reste toujours une solution « standard propriétaire » ) • INVESTISSEMENT en équipements et accessoires (monitoring, maintenance : coûts apparemment supérieurs) • MANQUE d ’INTEROPERABILITE TOTALE (passerelles obligatoires) – entre les différents réseaux – entre les différents niveaux d ’automatisme – même parfois au sein d’une technologie donnée (exp: CAN) 14 Historique • En 1968, la société Modicon invente le concept d’automate programmable. • Les années 70 voient naître dans Xerox PARC le réseau Ethernet • World Wilde Web inventé par le CERN en 1989 • En 1996, Schneider Electric fait la promotion du réseau Ethernet industriel pour connecter les niveaux “entreprise” et “atelier” avec les automates puis développe le concept de “Transparent Ready”. Ce concept est basé sur l’ajout d’outils et de protocoles industriels -dont Modbus- aux éléments standards existants d’Ethernet. 15 La pyramide CIM • CIM (Computer Integrated Manufacturing) • (fabrication intégrée par ordinateur) • la pyramide SIP (Système Intégré de Production) offre une structure hiérarchisée des différents niveaux de l'entreprise. 16 Taille de l’information Importance du temps de réaction Concept CIM Niveau 4: Système d’information de l’entreprise Gestion globale de l’entreprise Niveau 3: la gestion de production Ordonnancement et suivi de production Contrôle qualité et suivi des moyens Niveau 2: la supervision Conduite, optimisation et surveillance Niveau 1: la commande (les automates) Traitement et dialogue: la commande Configuration et diagnostique: la maintenance BUS DE TERRAIN Niveau 0: les constituants Commander et protéger: les pré actionneurs, Actionner et mesurer : les capteurs et actionneurs 17 Modèle OSI Les couches hautes (5, 6 et 7) sont responsables du traitement de l'information relative à la gestion des échanges entre systèmes informatiques. 6-Présentation 5-Session 4-Transport 3-Réseau 2-Liaison 1-Physique Couches basses Les couches basses (1, 2, 3 et 4) sont nécessaires à l'acheminement des informations entre les extrémités concernées et dépendent du support physique. 7-Application Couches hautes Ce modèle, qui comporte 7 couches, décrit les concepts utilisés et la démarche suivie pour normaliser l'interconnexion de systèmes ouverts. Model OSI 7-Application Point de contact entre l'utilisateur et le réseau. Apporter à l'utilisateur les services de base offerts par le réseau, comme par exemple le transfert de fichier, la messagerie... 6-Présentation Traduit les données pour que les 2 systèmes puissent communiquer entre eux et se comprendre. 5-Session 4-Transport Assure la continuité de la connexion Cette couche est responsable du bon acheminement des messages complets au destinataire. 3-Réseau Assure l ’acheminement de l ’information à travers le réseau (routage) 2-Liaison Assure la synchronisation et le contrôle des données (crc, ack,etc.) 1-Physique Présentation physique des données sur le média (bit => tension) Model OSI Bus de Terrain et le Modèle OSI Utilisateur Application Application 7 6 … … 6 5 … … 5 4 … … 4 3 … … 3 2 LLC LLC 2 MAC 1 • Physique • Standard ISA / SP50 MAC Physique 1 Un Bus de Terrain est basé sur la restriction du modèle OSI à 3 couches : – – – • Standard de fait Supervision Réseau 7 Couche 1 : Physique Couche 2 : Liaison de Données Couche 7 : Application Couches 3 à 6 sont vides car il n’y a pas besoin d’interconnexion avec un autre réseau (gain de performance) Cette modélisation est respectée par les standards de fait et internationaux !!!! Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 7 : Application • Couche Application ISA/SP50 définit deux types de connexion : – Modèle CLIENT / SERVEUR : pour le transfert acyclique de Utilisateur – Modèle PRODUCTEUR / CONSOMMATEUR («Publisher/Subscriber») : pour le transfert cyclique de données (faible volume) entre deux applications (contrôle - commande, état capteurs / actionneurs, ….) • BUS DE TERRAIN ISA / SP 50 EST EN COURS DE NORMALISATION (FF, ISA, CEI) – couche liaison adoptée en 1997 – premières réalisations : WorldFIP, FIELDBUS FOUNDATION, HART – PROFIBUS (bien que dissident de ce groupe de normalisation) converge vers cette norme Supervision Réseau données (fort volume) entre deux applications (rapports, gestion,..) Application 7 … 6 … 5 … 4 … 3 LLC 2 MAC Physique 1 Model OSI Aspects physiques Les propriétés importantes de la couche physique sont: - La topologie, - Le support physique : cuivre, fibre optique, sans fil (radio, IR) - Le taux de transmission, - La longueur maximale, nombre de noeuds, alimentation, Dans La couche application sont implémentés les applications sur les machines, les stations opérateur de contrôle, et les interfaces nécessaires à la communication avec des machines intelligentes et les ordinateurs dans l’usine. La couche liaison permet de corriger les erreurs de transmission et de fiabiliser la communication à travers les acquittements - LLC1 : sans connexion et sans acquittement : par exemple pour les cas des messages courts périodiques. - LLC2 : avec connexion : lourd pour les communications industrielles. - LLC3 : sans connexion et avec acquittement, convient par exemple pour les communications temps réel avec un degré de fiabilité important tel que le test de fonctionnement d’un appareil. 22 Considérations Techniques Bus de Terrain : Les Supports Physiques • L’utilisation des supports physiques dépend de la distance entre les stations et de l ’environnement dans lequel sera installé le support • Les CABLES : - Paire torsadée (blindé ou non ) - Câble coaxial - Câble électrique (courant porteur ) - Fibre optique • AUTRES : - Ondes hertziennes (radio) - Par infra-rouges - Par laser Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie • La Topologie est la manière dont les équipements d’un réseau sont reliés entre eux par le support physique . • Les quatre différentes topologies possibles sont : – Anneau (« Ring ») – Etoile (« Star »), – Bus, – Arbre (« Tree ») Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie (suite) HUB Topologie en ANNEAU • Chaque station est raccordée à un câble constituant une liaison physique commune en forme d’une boucle ou circuit fermé • Communication unidirectionnelle : Le transfert de l’information se fait dans un seul sens, le long du support de transmission • L’anneau est une structure active , les signaux sont régénérés au passage dans chaque nœud • Problèmes si un nœud en panne; la rupture de l’anneau paralyse le trafic sur le réseau • Extension impossible en fonctionnement Topologie en ETOILE • Nœud Central : Cette configuration est caractérisée par un nœud centrale (HUB) auquel chaque station est reliées • Le HUB doit assurer la connexion à travers du réseau • Le transfert de l’information s’effectue en mode « point - à - point » • En cas de panne du HUB, l’ensemble du réseau est hors service !!! • L’extension possible en fonctionnement mais limitée par la capacité du HUB • Plus de câbles et manque de souplesse ; il faut une liaison supplémentaire pour chaque station rajoutée • La gestion du réseau est plus simple et plus économique HUB : Host Unit Broadcast (unité de diffusion vers les hôtes) Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie (suite) Topologie en ARBRE Topologie en BUS Topologie en BUS : • Dans cette configuration chaque nœud est raccordé à un câble constituant une liaison physique commune • Le transfert de l’information s’effectue en mode « multipoint » • Tout message transmis emprunte le même câble pour atteindre les différents nœuds • Cette organisation permet de réduire le nombre de connexions • Une défaillance d’un nœud n’interrompe pas la communication entre les autres nœuds • Extension aisée • Elle est la plus largement répandue à l’heure actuelle. Topologie en ARBRE : • Compromis entre les 3 topologies précédentes Considérations Techniques Quelques définitions • • Modèle Maître - Esclave : Un Maître interroge cycliquement ses Esclaves – Maître : Station qui peut prendre de sa propre initiative, le contrôle du support de transmission pour émettre, sans attendre d ’autorisation – Esclave : Station qui ne peut pas prendre, de sa propre initiative, le contrôle du support pour émettre, elle doit attendre une autorisation pour le faire. Elle émet à la demande du Maître. Modèle Client - Serveur : Le Client envoie des requêtes en direction du Serveur qui répond en renvoyant les données demandées (communication point-à-point entre appareils présents sur le Bus de terrain) – Client : Le processus (une station) qui prend l’initiative de communication – Serveur : Le processus (une station) à l’écoute d’une demande de service en provenance d’un processus (station) Client • Modèle Producteur - Consommateur : La station qui émet (Producteur), envoie une information reconnue par son identificateur. Toutes les stations qui utilisent cette donnée (Consommateurs) peuvent la lire en même temps (communication enregistrée de type diffusion) • JETON : un message particulier que l ’on passe de station en station. – La station qui veut émettre doit être en possession du jeton. – Une fois l’émission terminée, la station remet le jeton dans le circuit (envoie vers la station suivante)
