IndustrialIT et CEI 61850

IndustrialIT et CEI 61850 :
l’union fait la norme
Lars Andersson, Klaus-Peter Brand, Petra Reinhardt
Le secteur de l’électrotechnique ne cesse d’élaborer de nouvelles normes internationales indispensables,
voire incontournables, pour les activités d’ABB aux quatre coins de la planète. Or ces normes sont toujours
un compromis visant la satisfaction tant des fournisseurs que des clients. De plus, elles ont chacune leur
domaine d’application privilégié.
ABB, de son côté, s’efforce de développer en permanence des concepts pointus, tels IndustrialIT, pour
permettre à ses clients de tous horizons d’améliorer leur position concurrentielle et de maximiser
leurs bénéfices. Ce constat soulève une question : quelle est l’interaction entre la normalisation internationale et les concepts innovants du Groupe ABB ? Applicable à l’automatisation des postes électriques,
la nouvelle norme de communication CEI 61850, conforme au concept IndustrialIT d’ABB, apporte une
réponse à la fois claire et prometteuse.
L
es postes électriques sont les pièces
maîtresses d’un réseau. Situés au
carrefour des flux d’énergie, ils garantissent l’accès du réseau par le système
de conduite et de supervision, et
concentrent la majorité des équipe-
ments de protection. Cette richesse
fonctionnelle explique l’architecture
plus ou moins distribuée d’un système
d’automatisation de postes et le rôle
primordial de la fiabilité dans la gestion
performante du système électrique.
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Traditionnellement, un système d’automatisation de postes électriques se divise en trois niveaux : poste, tranche et
procédé ( 1 ). L’interface avec le procédé peut être réalisée par câblage classique en fil à fil ou liaisons série.
L’importance de la communication
dans les postes électriques
La communication est la base de l’automatisation des postes électriques. La
création d’une nouvelle norme dédiée,
la CEI 61850 [1], est donc un fait marquant et ABB a joué un rôle majeur
dans son élaboration. Son principal
objectif est l’interopérabilité, c’est-à-dire
la possibilité pour au moins deux équipements électroniques intelligents
(IED), mono ou multifournisseurs,
d’échanger et d’exploiter des informations garantissant leur bon fonctionnement, en autonome ou en commun.
Cette finalité impose à l’évidence certaines contraintes à la conception et à
l’ingénierie du système. Mais ABB s’est
lancé un défi encore plus ambitieux :
associer la norme à son engagement de
1
conformité de tous ses systèmes avec le
concept IndustrialIT [2].
La CEI 61850 et l’initiative IndustrialIT
sont l’aboutissement d’une réflexion
poussée sur les nouvelles tendances de
La pile protocolaire, dérivée de techl’automatisation industrielle. Pour bien
niques de communication réputées, comsaisir leur signification en matière d’autoprend la spécification MMS (Manufactumatisation
ring Messade postes
ge SpecifiLa CEI 61850 et l’initiative
électriques,
cation) sur
IT
voici un
Ethernet
Industrial sont l’aboutissement
tour d’horiTCP/IP.
d’une réflexion poussée sur
zon de leurs
Le modèle
les nouvelles tendances
caractérisobjet est
de l’automatisation industrielle.
tiques récimappé de
proques.
façon normalisée sur la couche Application MMS,
CEI 61850 : une nouvelle
tandis que les messages à temps critique
norme pour de nouveaux besoins
transitent directement par la couche
de communication
Liaison d’Ethernet. Des règles d’extenUn des points forts de la nouvelle norsion garantissent l’évolutivité du modèle
me est la dissociation de l’application
en fonction des besoins futurs. Un chanet de la communication au moyen
gement de technique de communication
d’une interface abstraite 2 . Un modèle
ne nécessite qu’un nouveau mappage.
d’équipement et de données, orienté
Toutes ces caractéristiques s’ajoutent
objet et spécifique au domaine, décrit
pour donner une norme pérenne,
conçue pour protéger les investissements
des acteurs de la filière électrique.
Un langage de configuration normalisé
Les trois niveaux de l’automatisation des postes électriques
Qui dit interopérabilité implique une
description normalisée de la topologie
de la communication et son adaptation
à la structure du poste. La solution réside dans un langage descriptif de la
configuration du poste ou SCL (Substation Configuration description Language), basé sur XML. Du coup, tous les
outils d’ingénierie conformes CEI 61850
« parlant » ce même langage sont aussi
interopérables.
to network level
HMI
Station
computer
Station level
Station
gateway
Station or
interbay bus
Bay level
Un bus commun
Control
Protection
Protection
& control
Control
Protection
Process bus
Process level
Process interface
Switchgear
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les données applicatives et tous les
services utilisés. Les fonctions peuvent
être librement affectées aux différents
équipements 3 .
Process interface
Process interface
La CEI 61850 ne fait pas la distinction
entre le bus procédé (process bus)
acheminant les mesures échantillonnées
par les capteurs de tension et de courant, et le bus poste (station bus) qui
véhicule événements, fichiers et commandes. Ces deux fonctionnalités peuvent emprunter un même réseau physique, sur un bus commun. Pour des
raisons de performances et de maintenance, le choix de réseaux physiques
distincts pour les bus poste et procédé
4 revient à l’exploitant.
L’automatisation des postes électriques
normalisée CEI 61850
Le contrôle-commande des postes électriques a toujours été hiérarchisé en
trois niveaux : poste, tranche et procédé. Les échanges sont donc verticaux
et font la part belle à l’architecture
client-serveur. Une communication
d’égal à égal pour des fonctions automatiques comme le verrouillage sont
assurées par des messages GOOSE
(Generic Object Oriented Substation
Events). Les échantillons analogiques
synchrones de tension et de courant
sont transmis de façon cyclique. La
nouvelle norme CEI 61850 gère toutes
ces caractéristiques de transmission, à
tous les niveaux du poste.
IndustrialIT : une nouvelle vision de
l’automatisation
La révolution des technologies de l’information a généré d’énormes quantités de
données en constante progression. Ces
données ont bien sûr un intérêt variable
selon l’utilisateur. Celles provenant, par
exemple, d’un système d’automatisation
de postes ne sont pas seulement utiles à
la télécommande, mais aussi à la gestion
économique des actifs.
ABB fournit des systèmes d’automatisation à tous les secteurs industriels.
L’interconnexion de ces équipements
est déjà un défi en soi, mais le problème se corse quand, par exemple, un
système de contrôle-commande de
réseau ABB est relié à un ERP SAP. Le
point de vue du client est clair : il lui
faut une communication transparente de
bout en bout, de l’exploitation temps
réel à l’informatique de gestion.
Cet impératif exige une bonne modélisation objet et un consensus sur l’infrastructure de communication qui, dans
IndustrialIT, repose sur MMS et TCP/IP.
Plusieurs bus de terrain orientés capteurs, E/S déportées … sont aussi pris
en compte 2 .
2
Cloisonnement application/communication : l’approche CEI 61850 (à gauche) et celle
de l’IndustrialIT d’ABB (droite)
Application
Objects services
IEC 61850
SA
domain
Abstract comm. services interface
Stack specific mapping
Aspect
Object model
Aspect framework interface
SCSM
Connector/OPC
Stack interface
MMS
MMS
SA events
U,I samples
TCP/IP
Ethernet
pour gérer ces entités réelles. L’architecture IndustrialIT utilise la plate-forme
d’intégration commune AIP (Aspect Integrator Platform) autorisant les échanges
temps réel entre équipements. Celle-ci
fournit l’environnement exécutif des
applications certifiées IndustrialIT et
assure l’intégration des systèmes
d’aspects et des outils de connectivité.
Trois structures
Pour garder la trace de tous les objets
constituant le site et le procédé, à divers
niveaux de détail, IndustrialIT les organise en « structures » qui sont fonction, par
exemple, du déroulement logique du
procédé, de l’agencement physique du
site ou du système de contrôle-commande. On distingue ainsi trois types de
structure :
L’architecture objets d’ABB
Tous les actifs du réseau (disjoncteurs,
moteurs …) sont modélisés dans IndustrialIT sous la forme d’objets 5 et de
caractéristiques ou « aspects » regroupant
l’ensemble des informations requises
ABB
IIT
domain
La structure fonctionnelle indique
l’endroit d’un objet donné dans une
optique fonctionnelle.
La structure géographique repère
l’emplacement physique d’un objet.
Field
buses
TCP/IP
Ethernet
La structure de contrôle-commande
localise une fonction logicielle ou un
matériel dans le système de contrôlecommande.
Des structures spécifiques à l’utilisateur
peuvent facilement compléter ce trio.
Quatre niveaux de certification
ABB a mis en place un programme
de certification IndustrialIT Enabled à
quatre niveaux (0 à 3), chacun d’eux
s’appuyant sur le précédent pour apporter un « plus ». Les installations existantes
peuvent ainsi gravir progressivement les
échelons de la certification IndustrialIT :
Niveau 0 – Information : les produits
certifiés à ce niveau sont dotés d’aspects
de base sous forme électronique :
caractéristiques techniques, schémas,
manuels, classification produit,
codage …
Niveau 1 – Connectivité : les produits
certifiés « niveau 1 » peuvent se raccorder
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à d’autres produits IndustrialIT et échanger des données élémentaires.
Niveau 2 – Intégration : les produits
de ce niveau peuvent échanger des
informations plus pointues (état, maintenance …) avec d’autres équipements.
Niveau 3 – Optimisation : les produits
de niveau 3 possèdent des aspects évolués pouvant interagir avec d’autres
constituants pour optimiser leur système
d’accueil.
Cette certification IndustrialIT garantit
l’accès à toutes les informations requises
de même que l’intégration transparente
aux systèmes.
IndustrialIT et CEI 61850 font bon
ménage
Pour comprendre comment la CEI 61850
et IndustrialIT s’accordent parfaitement
dans le domaine de l’automatisation des
postes électriques d’ABB, il est bon de
comparer leurs principes fondamentaux :
types d’équipements, caractéristiques de
transmission, modèle objet, informations
techniques et règles de certification.
Le réseau de communication défini par
la CEI 61850 est un réseau local performant doté de toutes les fonctionnalités
d’un réseau de contrôle-commande
IndustrialIT. Dans une optique comparative, on peut dire que la CEI 61850 est
un réseau de contrôle-commande certifié IndustrialIT. Mieux, tous les appareils
ABB du système d’automatisation de
postes répondent aux exigences de
l’interopérabilité CEI 61850 et de la
certification IndustrialIT de niveau 3.
Types d’équipements
Les appareils de protection, de conduite
et de surveillance déployés dans l’automatisation de postes s’apparentent
beaucoup aux équipements du réseau
de contrôle-commande IndustrialIT. De
nos jours, les systèmes de protection
distribués, comme la protection de jeux
de barres, tendent à être regroupés en
un seul équipement du réseau de
contrôle-commande. Il sera bientôt possible de fédérer chaque constituant du
système, grâce à la norme CEI 61850, en
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Modèle de données et d’équipement de la CEI 61850
Physical device (server)
Logical device
Logical node
Data (object)
Attribute
Common
LLN0
LLN0
Control
CSWI
Pos
Protection
PTOC
Str
ctlVal
stVal
LLN0
Op
Common
LLN0
Nameplate
Vendor
etc
Control
Switch control
Position
Control value
Status value
Protection
Overcurrent
Start/pick-up
Operate/trip
4
Réseaux séparés ou communs pour le bus procedé et le bus poste.
Control center
HMI
Control center
Gateway
Gateway
Switches
Switch
Bay 1
Bay
controller
HMI
Bay n
Bay
protection
Bay
controller
Bay
protection
Bay n
Bay 1
Bay
controller
Bay
protection
Switches
Actuator
Sensor
Bay
controller
Bay
protection
Actuator
Sensor
Switches
Actuator
un seul appareil du réseau de contrôlecommande spécifique.
Infrastructure et services de
communication
IndustrialIT hiérarchise ses réseaux de
communication en bus de terrain, réseau
d’atelier, réseau de contrôle-commande
et réseau serveur. La communication
CEI 61850, pour sa part, peut se définir
comme un réseau à deux niveaux, procédé et poste. Ces deux approches permettent de combiner ces réseaux : par
exemple, les réseaux contrôle-commande et serveur IndustrialIT peuvent constituer le même réseau local physique tout
comme les réseaux de niveau poste et
procédé CEI 61850 peuvent constituer le
même réseau reliant le poste complet.
(A noter que la norme stipulant l’interopérabilité du poste complet, elle ne
définit en aucun cas l’intégration des bus
de terrain.)
Les architectures de communication de
la CEI 61850 et du réseau de contrôlecommande IndustrialIT sont donc en
phase. Les piles, identiques jusqu’à la
Sensor
Actuator
Sensor
couche 7, sont toutes deux basées sur
chargent de dissocier la communication
Ethernet TCP/IP et coiffées par MMS.
de l’application. Dans la CEI 61850,
La pile supplémentaire de la CEI 61850,
cette interface s’appelle ACSI (Abstract
réduite, accédant directement à la couCommunications Services Interface) et
che liaison d’Ethernet, sert à l’accès
la couche d’adaptation SCSM (Specific
temps réel aux mesures analogiques
Communication Services Mapping).
échantillonnées et aux événements surCôté IndustrialIT, il s’agit de l’interface
venant dans tout le système. Pour des
Aspect Framework tandis que la couche
raisons de performances, ces données
d’adaptation correspond au serveur
ne peuvent transiter par les outils logiOPC (OLE for Process Control). Ces
ciels Aspect Framework d’ABB. Si l’intéinterfaces offrent deux garanties : les
grateur AIP
modificaen a betions
soin, elles
et/ou
La solution née de la convergence ajouts
doivent
CEI 61850-IndustrialIT offre des
être collecconcertées et
nant la
avantages manifestes pour
rendues
communil’intégration du système dans
accessibles
cation
l’automatisation de postes.
par un
n’auront
équipepas d’effet
ment du
sur les
réseau de contrôle-commande pour être
applications ; la CEI 61850 et la commuensuite transférées à AIP sous forme de
nication IndustrialIT sont bien intégrées.
données brutes.
Modélisation objet de l’application
Au-dessus de la couche 7, une interface
abstraite et une couche d’adaptation se
La CEI 61850 définit un modèle applicatif constitué d’équipements physiques,
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d’entités logiques, de nœuds logiques,
d’objets et attributs de données. Ce
modèle est largement supporté par
l’architecture objet « Aspect Objects »
d’IndustrialIT puisqu’avec ce dernier
l’intégralité du modèle « nœud logique »
de la CEI 61850 peut être créée et
réutilisée pour modéliser des implémentations du système.
Informations techniques
Au niveau équipement, les deux approches fournissent des outils de création
et de configuration de l’application :
configurateur d’automatismes dans
IndustrialIT et plusieurs outils dédiés en
automatisation de postes électriques. Le
configurateur d’automatismes peut être
utilisé dans ce dernier domaine après
avoir intégré les systèmes correspondants dans IndustrialIT ; toutefois, des
outils dédiés doivent exister pour chacun des équipements d’automatisation
qui sont aussi intégrés à des systèmes
tiers. Il en va de même pour des matériels tiers intégrés aux systèmes ABB.
5
En matière de support technique, la
CEI 61850 définit le langage de configuration de postes SCL constitué de
fichiers descriptifs des fonctionnalités
des IED et du poste. Ces fichiers
contiennent toutes les descriptions relatives à la communication des équipements et du poste. Des extensions sont
possibles pour assister l’ingénierie
ABB. On peut tirer de ces fichiers la
plupart des définitions nécessaires au
système d’aspects IndustrialIT. Exemple :
le fichier descriptif d’un IED contient
non seulement toutes ses fonctionnalités, mais aussi les objets et systèmes
d’aspects nécessaires ; celui d’un poste
renferme les informations permettant
de définir la plupart des structures
hiérarchiques IndustrialIT requises pour
l’automatisation de postes (structures
fonctionnelle, produit et communication). Les informations techniques de
ces fichiers peuvent servir à configurer
les systèmes d’aspects de manière plus
ou moins automatique.
Quelques aspects associés aux objets d’un poste électrique
Power system installation
Pour garantir efficacité et cohérence du
développement, tous les outils des
niveaux système et équipement doivent
être capables d’échanger des informations techniques. Là encore, il faut faire
appel à un langage SCL, défini dans la
CEI 61850, pour permettre l’intégration
des équipements tiers.
Niveaux de certification
Nous l’avons vu, les quatre niveaux de
certification ABB garantissent la conformité des produits du Groupe au concept
IndustrialIT. De son côté, la norme
CEI 61850 soumet les équipements
d’automatisation de postes à des essais
de conformité. Les automatismes de
postes ABB se plient à ces deux
contraintes. La mise en conformité
CEI 61850 doit donc être partie intégrante de la certification IndustrialIT,
qu’elle complète de la façon suivante :
Niveau 0 – Information: l’objet «plaque
d’identification» de la CEI 61850 supporte
le niveau 0 de certification, l’information
pouvant être stockée soit directement,
soit par liens. Des «check-lists» doivent
s’assurer que toute cette information peut
être tirée de la plaque signalétique de
l’équipement d’automatisation de poste.
Niveau 1 – Connectivité : ce niveau
d’interopérabilité IndustrialIT impose de
réussir certains essais de conformité
CEI 61850.
Real object
Niveau 2 – Intégration : il faut ici passer
d’autres essais de conformité CEI 61850
et disposer en partie du support technique bâti sur le langage SCL de la
CEI 61850.
Niveau 3 – Optimisation : ce niveau
exige de réussir la totalité des essais de
conformité CEI 61850 et la fourniture
de tout le support technique disponible
pour remplir toutes les exigences du
« prêt à produire » appliquées à l’automatisation des postes électriques.
Aspect Object
Aspect Object model
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Aspects
• Static
• Dynamic (real time)
• Interactive (real time)
Un couple solide
On peut affirmer sans réserve que tous
les points clés de la CEI 61850 et de
l’IndustrialIT s’accordent parfaitement.
Il n’y a donc pas d’obstacle à la certification IndustrialIT d’un équipement nor-
malisé CEI 61850. Dans les domaines
nécessitant quelques modifications, les
deux approches offrent une base à leur
déploiement.
Toutes les exigences IndustrialIT dépassant le cadre normatif de la CEI 61850
ne concernent que les équipements
ABB. Les appareils d’autres constructeurs, conformes CEI 61850, peuvent
aisément s’intégrer à l’IndustrialIT par le
réseau CEI 61850, les informations de
niveau 0 manquantes étant fournies,
par exemple, par un serveur.
Trois sujets méritent encore réflexion :
L’utilisation de la définition SCL pour
couvrir tout le support technique
nécessaire à l’IndustrialIT et la fourniture de types d’objets d’aspects IndustrialIT pour tous les types d’objets SCL.
L’introduction et l’automatisation
du traitement SCL dans les outils
IndustrialIT.
La modification de toutes les checklists de certification applicables pour
prendre aussi en compte l’ensemble
des exigences CEI 61850.
La solution née de la convergence
CEI 61850-IndustrialIT offre des avantages manifestes pour l’intégration du
système dans l’automatisation de postes. Par exemple, IndustrialIT renforce la
CEI 61850 en termes d’interconnectivité
entre domaines. La CEI 61850, à son
tour, complète IndustrialIT pour ce qui
est de l’intégration des produits tiers
dans l’automatisation de postes. En
particulier, le support technique fourni
par les deux approches facilite et améliore notablement l’ingénierie des systèmes d’automatisation de postes ABB.
ABB, en tant qu’intégrateur, tout comme ses clients du secteur électrique, en
tant qu’utilisateurs, ne manqueront pas
de tirer profit de ces apports dans le
domaine de l’automatisation des postes
électriques pour lequel l’expérience
montre un réel besoin d’intégration des
produits tiers à la plupart des systèmes.
L’interrogation de notre début d’article
a maintenant sa réponse : IndustrialIT
accroît la capacité des clients ABB à
exploiter tout le potentiel des normes
internationales. En matière d’automatisa-
tion de postes, nous avons vu que cette
initiative ne se contente pas de piocher
des éléments de la CEI 61850 et de
l’IndustrialIT d’ABB pour les combiner,
mais davantage de tirer le meilleur de
chaque concept pour former un tout
cohérent et normatif, aux performances
multipliées.
Lars Andersson
ABB Switzerland Ltd
High Voltage Products
CH-8048 Zurich
[email protected]
Klaus-Peter Brand
Petra Reinhardt
ABB Switzerland Ltd
Utility Automation Systems
CH-5400 Baden
[email protected]
[email protected]
Bibliographie
[1] www.iec.ch
[2] www.abb.com/industrialit
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