L’ère de l’intelligence distribuée

De tous les temps, l’automatisation industrielle n’a eu de cesse de progresser. Si son essor était naguère confiné au périmètre d’une usine, l’avènement des bus de terrain, fruits d’une innovation intense, a permis de passer d’automatismes centralisés à l’ère de l’intelligence distribuée.

Les technologies de communication ont progressivement fait évoluer les architectures d’automatismes.

Fieldbus ou Bus de terrain est le nom d’une famille de réseaux informatiques industriels utilisé pour la commande numérique distribuée en temps réel.

Le bus de terrain relie tous les niveaux, à partir du niveau bus de terrain jusqu’au niveau régulation du process, avec juste un même câble de liaison. Le moyen de transmission des bus de terrain réunit en réseau tous les composants, indépendamment du type de dispositif d’automatisation utilisé. Ces dispositifs peuvent être distribués n’importe où dans la zone de l’application et sont reliés d’une manière décentralisée sur le site. Cela signifie qu’un réseau de transmission puissant est disponible pour les concepts d’automatisation modernes.

Le bus de terrain est simplement un moyen de communiquer avec les dispositifs d’entrée (capteurs, interrupteurs, etc.) et les dispositifs de sortie (vannes, variateurs, voyants d’indication, etc.) sans qu’il soit nécessaire de reconnecter chaque dispositif individuel au contrôleur (PLC, PC industriel, etc.).

Cette communication peut être bidirectionnelle Emission/Reception entre les équipements de terrain avec  des données simples de type Tout ou Rien ou complexes de type analogiques (paramètres, consignes, alarmes etc….).

Par conséquent, le système Bus de Terrain réduit drastiquement les coûts.

Les différentes Topologies des réseaux de bus de terrain

La topologie implique la manière dont les appareils de bus de terrain sont connectés aux données. Il existe plusieurs topologies possibles qui sont employées selon les besoins de la structure de l’usine. Les options de topologie incluent : anneau, bus, étoile et maillée.

Le réseau en anneau

Avec cette topologie, toutes ses stations sont connectées en chaine les unes aux autres par une liaison bipoint de la dernière à la première. Chaque station joue le rôle de station intermédiaire. Chaque station qui reçoit une trame, l’interprète et la ré-émet à la station suivante de la boucle si c’est nécessaire. La défaillance d’un hôte rompt la structure d’un réseau en anneau si la communication est unidirectionnelle ; en pratique, un réseau en anneau est souvent composé de 2 anneaux contrarotatifs.

Réseau en bus

Tous les nœuds ou les ordinateurs sont connectés directement à un câble principal qui traverse le réseau appelé le bus. Il a également un faible coût de déploiement et la défaillance d’un nœud (ordinateur) ne scinde pas le réseau en deux sous-réseaux.

Réseau en étoile

C’est la station centrale qui gère le réseau. C’est la topologie la plus courante actuellement. Elle est aussi très souple en matière de gestion et de dépannage d’un réseau : la panne d’un nœud ne perturbe pas le fonctionnement global du réseau.

Réseau maillé

Tous les périphériques sont connectés directement à tous les autres appareils. Cela fournit une redondance complète pour le réseau.

Avantages et Inconvénients de la technologie de bus de terrain

Avantages

• Une plus grande facilité d’installation : moins de câblage, des armoires électriques plus petites et simplifiées
• Réduction de la recherche d’erreur en cas de panne
• Auto diagnostique du système automatisé – par exemple, en cas de défaillances des capteurs / actionneurs
• Permet d’échanger davantage d’informations
• Mise au point et supervision centralisée des dispositifs
• Plus grande flexibilité dans la conception et le déploiement des installations
• Offre plus de facilités pour de futures extensions et modifications

Inconvénients

• Plus sensibles aux défauts de câblage et d’architecture
• Compétence spécifiques requises pour démarrer et maintenir l’installation

Qu’est-ce qu’un bus de terrain ?

Un réseau bus de terrain a différentes couches en fonction des tâches à réaliser. Chaque service d’une couche s’appuie sur celui de la couche inférieure.

Niveau 1 : la couche physique

La 1ère couche est la couche physique. La valeur de la tension, les connecteurs, les fils constituent les supports physiques. Les couches physiques d’un bus de terrain peuvent être de differents type:

1-Support filaire :

Le support filaire peut être des fils de cuivre disposés à l’intérieur d’une gaine protectrice (exemple : paires torsadées avec blindage).
Ce support est le plus simple, le moins cher et le plus usuel.
Il faut réaliser l’adaptation d’impédance à chaque extrémité des lignes afin de ne pas avoir d’ondes réfléchies qui perturberaient le signal.
Les principales liaisons sont RS232, RS485 et CAN.

2- Support Optique :

Il faut utiliser un adaptateur pour l’émission et la réception en conversion du signal électrique en lumière. Cela permet d’accepter d’importantes distances entre les éléments et ce support permet de posséder une très bonne immunité aux perturbations.

3- Support Immatériel :

Le support immatériel peut être de type Infra-rouge ou radio. Pour la radio, la bande de fréquence et la modulation constituent les supports. Il faut utiliser un émetteur/récepteur mais ce support est limité en débit et en distance suivant la portée du signal.

Chaque type de bus de terrain a ses propres supports physiques et à l’intérieur de celles-ci se trouvent des composants.

Niveau 2 – la couche liaison

Le transfert fiable des informations entre les systèmes directement connectés est assuré avec la couche Liaison.

La façon dont impulsions sont organisées dans une période de temps fait des « séquences ». À l’intérieur du cadre, il y a les données. La structure des séquences d’impulsions correspond au « langage » du bus de terrain : le Protocole (Protocole : Signifie les règles de dialogue entre les mêmes couches d’entités communicantes).

Par exemple, pour Modbus vous avez 8 séquences d’impulsions (1 octet = 1 séquence)

Comme il pourrait y avoir des perturbations sur le système il y a un mode de contrôle : Code détecteur d’erreurs (CRC) permettant de détecter les erreurs de transmission. Il n’y a pas de retransmission en cas d’erreur, la trame est tout simplement ignorée.

Le module ECOM est en Modbus.

Choix des bus de terrain

Il existe de nombreux systèmes bus de terrain disponibles sur le marché et divers facteurs jouent un rôle dans le choix des bus de terrain à utiliser.

Voici les critères principaux :

1. Les équipements : certains constructeurs font la promotion de leur propre bus de terrain – Dans la plupart des cas, c’est le matériel (l’automate par exemple) utilisé qui guide le choix du bus de terrain. En effet, si vous voulez un autre bus de terrain que celui de l’automate, vous devrez acheter une carte et le coût supplémentaire peut être assez élevé.
2. La configuration physique (distance machine à machine). Le type de bus dépend de la longueur des fils. Plus les fils sont longs, plus vous pourriez avoir d’erreurs et il faut donc un réseau fiable.
3. La quantité et la rapidité des données : Cela peut nécessiter un haut débit ou un stockage local des données. Pour un processus en temps réel, vous aurez besoin d’avoir une communication en temps réel avec un Modbus spécifique.
4. Le coût par nœud de communication :
   -Certains bus de terrain propriétaires nécessitent une certification et des frais. L’avantage est que le développement du logiciel est plus sécurisé et certifié compatible avec de nombreux appareils. Modbus est le moins cher du marché.
   -Il existe des bus de terrain ouverts (CANOPEN, IO-LINK,…) principalement gérés par des associations (sans frais), ils sont très flexibles, mais le coût de développement est plus élevé et plus risqué surtout si une certification est nécessaire.

Exemples de bus de terrain industriels

– La connexion basée sur RS485 avec le protocole MODBUS ou CANOPEN (plus rapide) est la moins chère et bien adaptée aux capteurs ou aux relais au vue de la taille et vitesse des flux données requis.
– IO-LINK (communication série 3 fils) est un nouveau bus gratuit et très utilisé pour les capteurs et actionneurs
– Les bus de terrain basés sur Ethernet rendent le coût de chaque nœud trop élevé et surdimensionné en données pour être utilisé pour des simples relais.

Produits celduc

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