but 5.1 introduction aux bus de terrain
DESCRIPTION
Introduction Aux Bus de TerrainTRANSCRIPT
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Bus de terrain
Introduction aux bus de terrain
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 1
Thmes abords
Architectures centralises et dcentralises
Principes
Types de signaux
Transmission de linformation
Modle OSI
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Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 2
Architectures centralises Schma de principe
Systme de commande
(Automate programmable,
Commande numrique)
Machine, installation
Machine, installation
Architectures centralises Mise en uvre pratique
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 3
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Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 4
Architecture centralise Analyse
Chaque capteur ou actionneur requiert au moins 2 fils Alimentation (masse)
Signal (information)
Il y en a souvent des centaines Machine semiconducteur : ~4 m2 au sol, plus de 1000 capteurs.
Architecture centralise bien adapte aux machines de petite taille.
Sur les grandes installations, cela requiert Des kilomtres de fils.
Des coffrets intermdiaires de distribution.
Un important travail de conception (chaque fil !)
Un important travail de pose et de test Le test est fastidieux sur les cbles longs.
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 5
Architectures centralises Types de signaux
Actuateur tout ou rien
Souvent du 0 24 V continu, quelques centaines de mA.
Capteurs analogiques
Signaux 0-10 V ou +/- 10 V sur des courtes longueurs.
Boucle de courant 4-20 mA.
Commande de mouvement (Motion Control)
Puissance lectrique : 48 V, 230 V, courant de quelques ampres.
Signaux codeurs : Signaux TTL, RS422
Consquence
Risque de diaphonie entre les conducteurs.
Ncessite des prcautions particulires pour les signaux sensibles.
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Alimentation
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 6
24 V, 15 W 1 kW 48 V, 40 W 1 kW
Signaux tout ou rien 24 V Exemple Bouton poussoir
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Signaux tout ou rien 24 V Exemple - Capteur de prsence inductif
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Signaux tout ou rien 24 V Exemple Barrire lumineuse
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Signaux tout ou rien 24 V Exemple Voyant lumineux
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Signaux tout ou rien 24 V Exemple Electrovanne
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Types de signaux +/- 10 V Exemple amplificateur de courant pour moteur DC
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Types de signaux Analogique Exemple de capteur de pression 4-20 mA ou 0..10 V
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Types de signaux 4-20 mA Exemple de capteur chimique 4-20 mA
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Types de signaux 4-20 mA Exemple dactuateur Electrovanne proportionnelle 4-20 mA ou 0-10 V
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Types de signaux Analogiques Avantages - Inconvnients
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4-20 mA
0-10 V
Avantages Inconvnients
Plus longues distances
- Pas de perte de courant en ligne
Dtection dune rupture de ligne - Courant de 0 mA
Plus simple
- Source de tension plus facile
raliser
- Plus simple dpanner, mesure sur
les bornes avec multimtre
Plus conomique
- A t plus conomique
Problmes avec les longues distances
- Perte de tension en ligne
Pas de dtection de rupture, 0V significatif
Plus compliqu
- Source de courant plus dlicate
raliser
- Plus difficile dpanner, enlever le
cable
Plus couteux
Autres exemples dinterfaces courantes Capteur de temprature PT100
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Sonde thermo-rsistive en platine
100 ohms 0 C.
0.4 ohm / C
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Des interfaces lectroniques adaptes Large ventail de fabricants
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Des interfaces lectroniques adaptes Tout ou rien 0-24 V
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Des interfaces lectroniques adaptes Analogique 0-10 V
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Des interfaces lectroniques adaptes Analogique 4-20 mA
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Des interfaces lectroniques adaptes Fonctions spciales
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Thermocouple Pression
Des interfaces lectroniques adaptes Fonctions spciales
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Commande de servo-moteur
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Architectures dcentralises Principe de la dcentralisation
Objectifs principaux
Simplifier le cblage.
Baisser les cots.
Modulariser le cblage
Deux approches utilises
Dcentralisation de la priphrie seulement.
Dcentralisation du contrle complet.
Moyen utilis
Transmission de nombreuses informations par un bus de terrain.
Remplace les nombreuses liaisons filaires par un cble unique.
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Machine, installation
Priphrie
dporte
Architectures dcentralises Schma de principe
Systme de commande
(Automate programmable,
Commande numrique)
Machine, installation
Systme de
commande
dport
Priphrie
dporte
Liaison par bus
de terrain :
1 seul cble !
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Architectures dcentralises Notion de bus de terrain
Rseau industriel
Principes de base similaires aux rseaux informatiques.
Un seul cble permet de transmettre de nombreuses informations codes sous forme binaire.
Caractristiques particulires pour rpondre aux exigences industrielles.
Connexion des lments distants
Raccordement des lectroniques rparties.
Chaque lectronique doit savoir dialoguer en utilisant le protocole du bus de terrain.
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Architectures centralises et dcentralises Comparaison en pratique
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Architecture distribue Exemple de machine Matriel de commande dans chaque cellule
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Architectures dcentralises Coupleurs et contrleurs
Coupleur
Gre seulement des entres sorties.
Contrleur
Permet en plus dexcuter un programme localement.
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Coupleur BK3120 Contrleur BC3100
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Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 30
Architectures dcentralises Diffrentes formes de dcentralisation
Dcentralisation de la priphrie seulement :
Le programme est toujours hberg par un contrleur central.
La priphrie dcentralise est gre par un coupleur lectronique qui traduit :
les messages du bus de terrain en signaux pour les actuateurs.
Les signaux capteurs en messages sur le bus de terrain.
Contrleur Coupleur Coupleur
Programme de
commande
Programme de
supervision
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 31
Architectures dcentralises Diffrentes formes de dcentralisation
Dcentralisation du contrle complet :
Une partie du programme est hberge par un contrleur dport.
Le contrleur central donne des ordres au contrleur dport travers le bus de terrain.
Contrleur Contrleur Contrleur
Programme
de
commande
Programme de
supervision
Programme
de
commande
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Architectures dcentralises Diffrentes formes de dcentralisation
Mixte
Un contrleur dport peut aussi donner accs directement une partie de la priphrie un contrleur central.
Contrleur Coupleur Contrleur
Programme de
supervision
Programme
de
commande
Programme de
commande
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 33
Lautomate programmable industriel Structure matrielle lautomate li un bus de terrain
Un automate peut communiquer par un bus de terrain
Une carte lectronique gre le protocole correspondant
Le programme automate peut lire et crire des variables vers cette carte.
Ces variables refltent ltat dentres sorties de la priphrie dporte connecte au bus de terrain.
Lautomate peut aussi se
comporter en esclave.
Un matre peut alors lire et crire
des variables de lautomate
travers le bus de terrain
CPU
Cart
e d
e s
ort
ie 1
Cart
e d
e s
ort
ie 2
Cart
e b
us
de t
err
ain
Cart
e d
entr
es
1
Cart
e d
entr
es
2
Cart
e d
entr
es
3
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Architectures dcentralises Type dinformation transmise par un bus de terrain
Messages cods en binaire
Les bus de terrain sont des rseaux numriques.
Tout est donc cod numriquement en binaire.
Notion dadresse
Plusieurs priphriques diffrents prsents sur le bus.
Le destinataire dun message est dsign par une adresse.
Pour transmettre linformation vers un priphrique :
Le message contient ladresse du priphrique.
Les informations placer sur les sorties.
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 35
Du contrleur vers les priphriques
Pour chaque sortie tout ou rien : 1 bit valant 0/1
Pour chaque sortie analogique :
valeurs codes en binaire
Habituellement 8, 12 ou 16 bits
Des priphriques vers le contrleur
Pour chaque entre tout ou rien : 1 bit valant 0/1
Pour chaque entre analogique :
valeurs codes en binaire
Habituellement 8, 12 ou 16 bits
1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1
8 x tout ou rien Valeur analogique 16 bits
Architectures dcentralises Type dinformation transmise par un bus de terrain
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Architectures dcentralises Quelques technologies utilises comme bus de terrain
Can
Can-Open
Profibus-DP
Profibus-PA
Profibus-FMS
DeviceNet
Ethernet
UDP
TCP
Sercos II
Lightbus
FIPIO
Sercos III
LonWorks
HART
ProfiNet
EtherCat
ControlNet
IEEE1394
USB
PowerLink
InterBus
WorldFip
ArcNet
AS-Interface
Bitbus
Modbus
Batibus
Safety-bus
JBus
RS232
RS485
EIB
SDI-12
JetSync
Modbus-TCP
PowerDNA
SynqNet
Varan
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Finalit dun bus de terrain La transmission rapide et fiable de petits paquets dinformation
Comment raliser techniquement cette transmission ?
Systme de commande
bus de terrain
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Bus de terrain Que faut-il dfinir ?
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 38
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 39
Le modle OSI Un modle commun pour dcrire les transmissions de donnes
Notion de protocoles
Convention communes respectes par lmetteur et le rcepteur pour permettre la transmission dinformations.
OSI
Open System Interconnection
Dfini par lISO : International Standard Organization
Ce nest pas un protocole.
Mais une manire de dcrire les protocoles en 7 couches.
Cest un modle thorique
Les rseaux rels correspondent plus ou moins bien cette description.
Vue idalise de la faon dont les rseaux devraient tre construits.
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Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 40
Le modle OSI Une description en 7 couches
Application 7
Prsentation 6
Session 5
Transport 4
Rseau 3
Liaison 2
Physique 1
Tra
item
ent
Tra
nsm
issi
on
Fournit les services attendus lapplication (signification des donnes transmises.)
Assure la compatibilit des donnes entre
stations (rgles dencodage).
Assure la connexion logique entre 2 stations.
(Continuit dun change)
Assure la fragmentation des donnes en
paquets transmissibles, et la reconstitution.
Assure le routage (adressage, transmission
travers plusieurs rseaux)
Assure la transmission sans erreur dun paquet de donnes, et laccs au mdia.
Assure la transmission dune suite de bits sur le mdia de transmission.
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 41
Le modle OSI A quoi correspond pratiquement une couche
Pour les couches 3 7 Une couche correspond une fonction logicielle. Elle reoit de la couche suprieure un SDU
Service Data Unit, le paquet de donnes transmettre pour remplir le service.
Elle ajoute son PCI Protocol Control Information, informations de contrle.
Lensemble constitue son PDU Protocol Data Unit.
Cette fonction logicielle utilise (appelle) le service de la couche de niveau infrieur.
Pour la couche 2 Fonctions en gnral remplies directement par le matriel. Prennent donc peu de temps. Fonctions utilises par les couches logicielles suprieures.
Pour la couche 1 Modulation et transmission de linformation. Le temps dpend de la distance, il est en gnral peu significatif.
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Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 42
Le modle OSI Les 7 couches en action
7
6
5
4
3
2
Application
Prsentation
Session
Transport
Rseau
Liaison
Physique 1
Envoi dun paquet de donnes
Rception du paquet
de donnes
Emetteur Rcepteur
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 43
Le modle OSI Adaptation aux bus de terrain
Particularit des bus de terrain
Contrle en temps rel dinstallations.
Faiblesse du modle OSI
Chaque couche engendre un traitement des donnes.
Donc, cot en temps et en puissance de calcul.
Certaines couches sont inutiles.
Par exemple rseau si on supprime le principe du routage.
Mal adapt aux bus de terrain.
Approche retenue
Les bus de terrain nimplmentent vritablement que les couches 1, 2 et 7.
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Modle OSI Optimisation pour les bus de terrain
Ne comporte que les couches 1, 2 et 7.
Implmentation rapide et efficace
Si vraiment ncessaire
ce qui appartiendrait aux couches 4, 5 et 6 est
regroup avec la couche 7
ce qui appartiendrait la couche 3 est regroup avec
la couche 2
Application 7
Prsentation 6
Session 5
Transport 4
Rseau 3
Liaison 2
Physique 1
Tra
item
ent
Tra
nsm
issi
on
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 45
Modle OSI 1. La couche physique
Rle
Elle assure la transmission dune suite de bits sur le mdia de transmission
Contenu
Interfaces mcaniques (connecteurs) et lectriques.
Mcanismes dactivation et de dsactivation des connexions physiques.
Protocoles dchange de bits.
Informe la couche suprieure en cas de problme de transmission physique
Supports de transmission (mdias)
fils torsads, cbles coaxiaux, fibres optiques, ondes radiolectriques
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Modle OSI 2. La couche liaison
Rle Assure la transmission sans erreur dun bloc de donnes (trame)
Permet le transfert fiable dinformations entre systmes connects.
Divise les donnes sous forme de trames transmissibles.
Dtecte les erreurs de transmission et provoque ventuellement la correction ou la retransmission.
Rgule laccs au mdia le flux dinformations sur la liaison.
Contenu : elle comporte 2 sous couches MAC : Medium Access Control
Rgles daccs au support de transmission.
LLC : Link Layer Control Gre le flux des informations
Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 47
Modle OSI 7. La couche application
Rle
Fournit les fonctions applicatives de haut niveau.
Donne du sens linformation transmise.
Dfinit les mcanismes communs aux applications rparties et la signification des informations changes
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Modle OSI Quelle couche est concerne ?
Un contrleur de moteur communique une vitesse en tours/min, alors quon sattendait des tours/s
Pendant le fonctionnement dune presse hydraulique, on constate des problmes de transmission entre un
automate et un bornier dentres sorties sur Profibus.
Un automate essaie sans succs de communiquer via CanOpen avec un bornier en utilisant ladresse 8, mais le bornier possde ladresse 12.
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Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 49
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Vos questions