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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CONCEPTION D'UN SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES

quatrième partie (4/7) : bus de terrain et USB

système automatisé de production un vrai casse-tête
le bus de terrain ses avantages
l'exemple du Bitbus un parmi d'autres
le concept usb l'interface informatique
le bus PCI-Express le dernier né
une collection d'icônes pour visiter tout le site
système automatisé de production
Précisons enfin un concept en pleine expansion en milieu industriel qui est celui de bus de terrain et mérite quelques remarques.


L'illustration donnée ci-dessus, inspirée d'un projet européen ESPRIT, et représentant synthétiquement un Système Automatisé de Production (SAP) très hétérogène montre à l'évidence la complexité que l'on peut rencontrer sur le terrain ou de nombreux types de réseaux caractérisés chacuns par une structure de bus et des protocoles d'échanges peuvent cohabiter au sein de la même entreprise.

On aura ainsi
  • des réseaux locaux dédiés à l'instrumentation (Fieldbus),
  • des réseaux d'automates programmables industriels (factor),
  • un réseau local industriel général (MAP par ex. ici)
  • et un réseau bureautique (éthernet).
    • Qu'est-ce qu'un bus de terrain?
    Le bus de terrain ou Fieldbus est un terme générique qui désigne un type de réseau de communications digitales qui progressivement va remplacer dans l'industrie le bon vieux concept de transmission analogique 4-20 mA par un bus série numérique bi-directionnel et susceptible de relier des dispositifs indépendants (c'est à dire isolés sur le terrain d'où l'appellation bus de terrain) tels des contrôleurs, capteurs et actionneurs. Partant du principe que tous ces dispositifs sont munis d'un certain degré d'autonomie (capacité calculatoire, possibilité d'auto-diagnostic...) l'objectif est donc de remplacer un réseau dont le contrôle est centralisé par un réseau à contrôle décentralisé.

    Il est clair dans un tel contexte qu'un instrument de mesure devra non seulement respecter certaines spécifications techniques qui lui sont propres, mais aussi comporter des fonctionnalités complémentaires lui permettant de dialoguer efficacement avec l'ensemble de son environnement en tenant compte des 4 grandes fonctions d'un SAP à savoir
  • la conduite du processus de production,
  • la sécurité (hommes et machines),
  • la maintenance (assurant la disponibilité du processus de production)
  • et le suivi (mémorisant l'état instantané et passé de l'installation et de sa production).
    • A cet effet le bus de terrain, sur lequel tous les instruments sont connectés en parallèle comporte a priori 3 types de lignes:
  • les lignes d'adresse,
  • les lignes de contrôle chargées de transmettre des commandes du type input/output, read/write,...
  • les lignes de données qui sont parfois multiplexées avec les (ou certaines) lignes d'adresse
    • Dans un tel système, un contrôleur (microprocesseur ou ordinateur) dispose d'un programme dont le flot d'instructions va adresser l'un après l'autre chaque instrument selon un séquencement précis. Et l'on devra évidemment prendre un minimum de précautions pour faire en sorte qu'un seul instrument à la fois ne soit activé afin d'éviter les conflits et court-circuits.

    Cependant l'objectif économique du bus de terrain n'est pas véritablement atteint avec une structure multiligne telle celle précisée ci-dessus, c'est pourquoi les travaux sur les bus de terrain se sont orientés généralement vers le développement d'un bus série constitué alors d'une simple paire torsadée. Deux groupes de réflexion internationaux semblent actuellement se dégager de la multitude des approches : WorldFIP (pour Factory Instrumentation Protocol) et l'ISP (Interoperable Systems Project) les deux ayant pour objectif d'être conforme au standard ISA (Instrument Society of America) SP50 ont fini par fusionner pour former la Fieldbus Foundation en 1994.

    Quels sont les arguments militant en faveur du bus de terrain pour remplacer la liaison 4-20mA ?

    Fondamentalement deux arguments militent en faveur des bus de terrain :
  • la communication par bus permet d’échanger des données qui sont difficilement ou pas du tout transmissibles autrement
  • l’échange des données s’effectue par un mécanisme standard
    • On peut en déduire toute une série d’autres arguments :
  • flexibilité d’extension et raccordement de modules divers sur une même ligne
  • distances plus grandes qu’avec un câblage traditionnel
  • réduction massive des câbles. En effet en 4-20mA il faut 2 câbles par dispositif jusqu'au système central, alors qu'ici on a aussi 2 câbles mais c'est la même paire qui relie tous les dispositifs en série
  • étendue des domaines d’application
  • réduction des coûts globaux
  • simplification de la mise en service
  • disponibilité d’outils de mise en service et de diagnostic
  • possibilité de connexion de produits de différents fabriquants
    • Il y a bien évidemment quelques difficultés qui ont d'ailleurs grandement contribué à la lenteur de progression de ce concept chez les utilisateurs industriels, on peut citer :
  • la nécessité de connaissances nouvelles
  • le coût et le temps de formation des utilisateurs. Ainsi dans une unité de production normande, filiale d'un groupe allemand, l'introduction du SAP harmonisant l'ensemble des unités européennes du groupe nécessite plusieurs mois de formation de certains utilisateurs qui eux-mêmes seront responsables de la formation de leurs collègues. Il en résulte une transition qui prendra environ un an, avec sans doute une multitude d'incidents prévisible qui affecteront aussi bien le service production que les services commerciaux.
  • les investissement en équipements et accessoires (outils de monitorage, etc.). C'est l'argument énoncé le plus souvent par ceux qui en fait ne veulent pas s'initier à une nouvelle technologie et insistent alors sur ces surcoûts apparents (qui sont cependant amortis très vite puisqu'ils permettent une mise en place plus rapide et plus sûre et aident à la maintenance prédictive).
  • la compatibilité entre équipements de fournisseurs différents n'est pas toujours aussi réelle que l’on dit (cela est du au fait que la norme fieldbus a mis un certain temps à se stabiliser, c'est donc un problème de jeunesse qui doit à moyen terme disparaître).

    • l'exemple du Bitbus
    A titre d'exemple nous donnons ci-dessous les caractéristiques d'un bus de terrain le Bitbus:

    Son mérite n’est pas d’être meilleur que les autres, mais plutôt d’être le premier des systèmes de communication industrielle accessible à tous. Le Bitbus a été conçu par Intel au début des années ‘80' comme système ouvert de communication. Ses spécifications ont été publiées en 1983. Sur cette base Intel a développé un chip intégrant toute la fonctionnalité de la communication, offrant ainsi aux développeurs de circuits un accès très aisé à cette technologie. Sa diffusion peut se considérer aujourd’hui encore comme la plus large dans le monde industriel. En 1991 une commission internationale a fixé ce standard de-facto dans la norme IEEE-1118, en y ajoutant quelques nouvelles caractéristiques ne compromettant toutefois pas la compatibilité avec les systèmes déjà présents sur le marché. Malgré que ce soit le plus ancien bus sur le marché, il se base sur une technologie exploitée dans les réseaux téléphoniques digitaux: le protocole SDLC. Ses caractéristiques principales sont les suivantes:

  • structure master-slave (un dispositif esclave peut devenir maître et vice et versa)
  • messages allant jusqu’à 248 bytes
  • cadences de 62,5 ou 375 kbit/s
  • distances jusqu’à 13,5 km par segment, à 62,5 kbit/s, ou 1200 m à 375 kbit/s
  • structure physique RS-485 avec câble à paire torsadée (de préférence blindé)
  • une interface d’application définie (fonctions RAC = niveau 7 du modèle OSI)
  • possibilité de broadcast et multicast de messages du master à tous ou à un groupe de slaves (d’après les nouvelles normes)
  • possibilité d’insérer jusqu’à 2-3 répéteurs en cascade
  • diffusion à niveau mondial
    • Notons enfin que si un nombre impressionnant de bus existe, les réseaux informatiques semblent à l’heure actuelle converger de plus en plus vers le protocole TCP/IP . Pourquoi donc dans les applications industrielles ne se passe-t-il pas la même chose? Mais souvent ce ne sont pas les caractéristiques techniques qui imposent un choix, mais plutôt des aspects commerciaux et, aussi, politiques. Dans ce domaine les nationalismes sont encore très marqués : Profibus a bénéficié d’importantes subventions en Allemagne. En France FIP (soutenu par EdF, Elf et la Télémécanique) est préféré à d’autres systèmes. Les Américains essayent par un marketing acharné de divulguer le LON. L’espoir d’une éventuelle nouvelle solution acceptée par tous pourrait être de nouveau le TCP/IP avec des accès de bas niveau (sockets BSD). En effet TCP/IP est largement diffusé sur les PC qui connaissent un véritable boom dans le secteur industriel et un certain nombre de précurseurs envisagent l'utilisation d'Ethernet pour relier des capteurs et des actionneurs tel R. Perdriau [11]. Toutefois le risque de réaliser un réseau ayant une sécurité physique relative et une insuffisante protection des données à cause de la liaison avec Internet, et ses pirates et diffuseurs de virus, freine certainement ce développement actuellement. C'est pourquoi un nouveau protocole IPsec (pour sécurisé) a été défini par le comité technique ad hoc de l'organisation IEEE et commence à être mis en oeuvre sur le réseau.

    Passerelles :
    Actuellement, et dans l'attente que les capteurs et actionneurs soient directement compatibles Ethernet, on commence à trouver sur le marché des passerelles ethernet pour réseaux de terrain qui permettent d'échanger des données provenant de l'un des réseaux de terrain standard connecté aux E/S et à la mémoire interne du process. Une telle passerelle peut fonctionner sous Windows CE et posséder son propre serveur web. Ce qui permet d'ailleurs de la configurer aussi bien localement qu'à distance via TCP/IP. Précisons que le franchissement de la passerelle implique un changement de protocole, c'est à dire une mise en forme des données (les données sont lues sous windows, puis formatées selon le protocole de sortie avant d'être réexpédiées vers ladite sortie (web ou bus).

    ex de passerelle PVK40 reliant le monde internet et les bus de terrain type Profibus, DeviceNet, Interbus, CanOpen, SDS,AS-interface, Modbus Plus (constructeur HIGHCOM).

    Notons qu'il est aussi possible d'interfacer une liaison RS232 avec ethernet 10base-T, ici encore de nombreuses cartes d'interconnexion ont été développées, qui possèdent souvent un processeur et de la mémoire type flash permettant une sauvegarde temporaire (ou permanente) de pages web.


    Dans le chapitre suivant nous faisons le point sur les solutions sans câblage et leurs exploitations sous TCP/IP.

    la solution USB
    La technologie USB (universal serial bus) est la solution la plus récente pour interconnecter en série de nombreux périphériques. En pratique on s'aperçoit que l'on doit, si l'on veut exploiter plusieurs périphériques, multiplier les hubs, ce qui revient à dire que l'on a déporté le problème de communication. La figure ci-dessous montre un exemple d'architecture préconisée par le groupe de constructeurs réunis dans l'organisation usb.


    topologie typique d'un système tout USB

    La norme USB 2.0 définit 3 vitesses de communication : 1,5 Mbps (Low Speed), 12 Mbps (Full Speed), 480 Mbps (High Speed).

    Le fonctionnement en mode High Speed possède des caractéristiques très différentes des modes Low Speed et Full Speed. Il ne s'applique actuellement qu'aux applications de type vidéo, télécom et transmission haute vitesse pour lesquelles les drivers restent encore quasi inexistants.

    Les applications Low Speed concernent essentiellement des périphériques interactifs (claviers, souris, consoles), mais aussi des afficheurs, des lecteurs (de carte à puce) et, ce qui nous intéresse ici, des applications en automatisme (mesure, capteurs) appelées à se développer.

    Les avantages de l'usb sont nombreux: faible coût de l'interface, alimentation possible des dispositifs via le câble, indépendance vis à vis des machines hôtes, Hot Plug & Play (c'est à dire branchement et débranchement sans avoir besoin d'arrêter le PC), jusqu'à 127 périphériques possibles, fiabilité et sécurité (détection et correction d'erreurs), plusieurs vitesses possibles et 4 types de transferts.

    Notons qu'à l'initialisation d'un "device" (ou d'une "fonction" selon la terminologie utilisée par le groupement USB) celui-ci reçoit une adresse. Les transferts Full Speed déclenchés par le "host" parcourent tous les tronçons, mais seule la fonction adressée va évidemment répondre.


    Les solutions USB dans le domaine de l'instrumentation sont appelées à se développer en raison de la simplicité du mode de connexion. En particulier certains services de métrologie en milieu industriel apprécient la possibilité de connecter à chaud un bloc capteur-conditionneur sur un ordinateur portable pour valider ou requalifier cet ensemble sans avoir besoin de démonter tout un ensemble.

    Pour en savoir plus sur l'USB consultez le module PC.

    le bus PCI-Express

    Le gros problème en instrumentation est l'absence de consensus pour définir une norme d'interfaçage. La tendance est évidemment de relier les capteurs de diverses manières à un ordinateur situé en bout de chaîne. La solution USB présente des avantages, mais sa bande passante reste relativement limitée et elle introduit un circuit supplémentaire à l'entrée du PC (host controller) dédié à cette seule liaison. Par ailleurs sur la carte-mère d'un PC plusieurs types de bus cohabitent et se concurrencent. Dans un souci de rationnalisation et de simplification les constructeurs ont donc imaginé de remplacer l'ensemble des bus internes d'un PC par un nouveau type appellé PCI Express qui est basé sur un principe série à large bande passante et un protocole de communication s'inspirant d'internet et qui va permettre, parmi diverses possibilités, l'interfaçage simplifié des systèmes d'instrumentation.

    Pour en savoir plus sur le PCI-Express consultez le module PC.

    D'ores et déjà on trouve sur le marché des cartes d'extension EXPRESS-CARD basée sur le bus PCI-Express quel est leur intérêt pour la mesure et l'automatisation?

    Hautes performances :
    Une bande passante double de celle du PCI, et qui croît linéairement à mesure que l'on ajoute des voies, permet d'augmenter les vitesses de transfert des données (2,5 Gbits/s). En outre cette bande passante est disponible simultanément dans les deux sens sur chaque ligne.
    Simplification des E/S :
    La rationalisation des bus internes, (AGP, PCI-X, HubLink ) réduit la complexité des conceptions et le coût de mise en œuvre.
    Architecture en couches :
    Permet de s'adapter aux nouvelles technologies en préservant les investissements logiciels.
    transferts isochrones:
    Les transferts isochrones de données garantissent le transfert des données à temps, grâce à des méthodes déterministes.
    Facilité d'utilisation :
    Cette technologie va simplifier à la fois la mise à niveau des systèmes et l'ajout de nouveaux matériels. Comme l'USB il permet l'insertion et le remplacement à chaud du matériel.
    Toutes ces caractéristiques font que l'usage du PC comme support des systèmes d'instrumentation va s'étendre encore davantage dans les prochaines années.

    Quelques liens utiles :
    PCI Express
    PCIe-GPIB : 1ère carte PCI Express pour la mesure