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Les protocoles réseaux industriels

Dans l'article d'aujourd'hui,nous allons parler des réseaux industriels ou bus de terrain.Vous connaissez sans doute les réseaux informatiques qui sont utilisés pour connecter plusieurs ordinateurs ou matériels informatiques,de la même manière,les réseaux industriels,sont utilisés pour connecter des équipements industriels.Ces équipements industriels peuvent être des automates,des robots,des capteurs,des variateurs de vitesse ou des IHMs.

Pyramide cim

Si nous prenons l'exemple des réseaux informatiques,ceux-ci permettent d'établir la communication entre deux ordinateurs soit physiquement via un câble ou via une connexion sans fil comme le Wifi.Quand deux ordinateurs d'un même réseau s'échangent des données,celles-ci peuvent être transmises bit par bit c'est ce qu'on appelle transmission série ou par paquets de bits c'est ce qu'on appelle transmission en parallèle.Le taux de transmission sera souvent limité à une valeur maximale, de quelques bits par seconde, à des milliards de bits par seconde. Les communications ont souvent des distances limitées, de quelques mètres à des milliers de  kilomètres.

Qu'est ce qu'un protocole de communication industrielle

Dans le monde industriel on rencontre de nombreux protocoles de communication permettant à divers équipements industriels de communiquer.Cependant,un protocole,c'est quoi au juste ? Pour faire simple,un protocole est un ensemble de règles pré-établis qui régissent une communication entre un ou plusieurs équipements/services.

Lorsque deux ou plusieurs équipements industriels communiquent,les protocoles spécifient quels types de données peuvent être envoyés, comment chaque type de message sera identifié quelles actions peuvent ou doivent être entreprises par les participants à la conversation etc..

Ainsi,pour que deux équipements puissent communiquer ensemble,ils doivent tous les deux être compatibles avec le protocole utilisé pour réaliser les échanges.Par exemple pour qu'un automate et un afficheur puissent communiquer via le protocole modbus,ils doivent tous les deux être compatibles avec le protocole modbus.

Dans l'industrie on rencontre de nombreux protocoles de communication parmi lesquels on peut citer :l'EtherNet/IP, le CAN,le Powerlink,l'EtherCAT, le Modbus-TCP,le Modbus Série,le Profinet,le Profibus,le DeviceNet,le SERCOS III etc...

Au début, les usines comportaient des machines qui fonctionnaient presque mécaniquement,peut d'entre elles étaient équipées de systèmes de contrôle-commande sophistiqués comme les microcontrôleurs et automates,cela rendait la maintenance de ces machines souvent fastidieuse.Plus tard, avec l'essor de l'électronique,ces dispositifs mécaniques furent remplacés par des systèmes de contrôle-commande électroniques qui vont doter ces installations d'une certaine intelligence.

Aujourd'hui,les différents équipements industriels peuvent facilement s'échanger des données via les bus de terrain qui deviennent de plus en plus élaborés.La quasi-totalité des équipements industriels sont aujourd'hui dotés d'interface de communication leur permettant de communiquer allant des modules logiques programmables,aux robots industriels.

Conscient de l'importance des réseaux/protocoles de communication industriel,les grands groupes industriels ont décidés d'unir leur force afin de constituer des standards,c'est le cas par exemple de l'ODVA qui gère les protocoles DeviceNet et EtherNet/IP.Avec la vulgarisation d'internet et l'apparition du standard Ethernet,certains protocoles industriels basés sur celui-ci voient le jour : c'est la naissance de l'Ethernet industriel qui est de plus en plus utilisé de nos jours.


Aujourd'hui,les bus de terrain sont utilisés dans des domaines aussi variés tels que la domotique (systèmes de détections fumée et incendie,les caméras de vidéo surveillance,les systèmes anti-intrusion,les détecteurs de mouvement,contrôle d'accès, systèmes de sécurité biométriques etc..), l'électricité avec le SmartGrid,l'aéronautique, la défense, la robotique etc...

Beaucoup de ces protocoles industriels ont d'abord été développé pour fournir un avantage technique concurrentiel pour leurs propriétaires,c'est le cas du protocole Modbus qui a été initié par le groupe Modicon (aujourd'hui Schneider Electric).

En effet,lorsque les bus de terrain ont été introduit, ils ont été confronté à de nombreux problèmes, tels que des protocoles propriétaires, une vitesse de transmission lente et différents formats de données.Les améliorations apportées aux technologies de transmission des signaux sur le terrain ont entraîné une décentralisation croissante.

En 1985, les industriels se sont réunis pour élaborer un standard de bus de terrain indépendant des fournisseurs - c’est-à-dire qu’il serait interopérable. La norme de bus fournirait l’alimentation, la sécurité intrinsèque et la capacité de communiquer sur de longues distances par le biais de câbles existants, conditions de base d’un système d’automatisation d’une usine.

En partie à cause de la complexité des systèmes d'automatisation et principalement à cause de la réticence des fabricants,une architecture de protocole standard unique n'a pas été établie.Foundation Fieldbus et PROFIBUS sont désormais les deux technologies de bus de terrain les plus dominantes sur le marché de l'automatisation des processus.Les équipements utilisant ces deux technologies ne peuvent pas communiquer entre eux en raison de la non-concordance des protocoles.

Aujourd'hui,il existe de nombreux types de bus de terrain.Le type particulier à utiliser dépend du type d’industrie (discrète ou industrie de procédé).Les différents types de bus de terrain incluent: Foundation Fieldbus, PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, InterBus, HART, AS-i, MODBUS, Bus CAN, Ethernet, LonWorks et WorldFIP.

Critères de choix d'un réseau industriel

La sélection d’un réseau industriel repose sur un certain nombre de critères parmi lesquels on peut citer :

    - Les exigences détaillées de l'application
    
    - Les capacités technologiques du réseau, y compris les exigences de vitesse et de synchronisation
    
    - Facilité d'intégration avec de nouveaux équipements
    
    - Disponibilité des composants pour la mise en oeuvre
    
    - Frais d'installation, d'appareils, de formation et de maintenance
    
    - La fiabilité : degré criticité d'une panne de réseau éventuelle
    
    - Le temps de réponse du réseau
    
    - Sécurité du réseau

Zoom sur Profibus

Le Profibus fait partie des bus de terrain les plus utilisés dans le monde avec plus de 15 millions d'appareils installés à l'échelle mondiale.Profibus a une base d'appareils installés supérieure à tous les autres bus de terrain combinés.

Profibus a été créé comme un standard ouvert pour éliminer le câblage point-à-point et réduire de manière significative la complexité liée à la conception, l'installation et à la mise en service d'installation automatisée.

Profibus International (PI), formé en 1989, a maintenant plus de  1 300 sociétés membres, y compris les principaux fabricants d'automates tels que Siemens, Hilscher, Invensys, GE Fanuc et Yaskawa etc...

Le bus de terrain Profibus existe en plusieurs versions parmi lesquelles on a : le Profibus DP,le PROFIdrive pour le contrôle de mouvement,le PROFIBUS PA pour le contrôle de process et le PROFIsafe pour les applications de sécurité.

Pour en savoir plus sur le réseau profibus,vous pouvez vous inscrire à la formation Profibus DP en cliquant ici.Pour tester vos connaissances sur le réseau Profibus,vous pouvez effectuer notre test QCM en cliquant ici.

Zoom sur le DeviceNet

Le DeviceNet est un réseau numérique multipoint capable de fonctionner entre des contrôleurs industriels et des dispositifs d'E/S.Dans l'architecture DeviceNet, chaque périphérique et / ou contrôleur est considéré comme un nœud du réseau. Un des caractéristiques importantes de cette technologie est que l’alimentation est fournie sur le réseau.Cela permet aux appareils dont les besoins en énergie sont limités d'être alimentés directement à partir du réseau,ce qui réduit les points de connexion, la taille physique et les coûts.Le DeviceNet est conforme au modèle OSI et constitue donc un standard ouvert.Pour en savoir plus sur le DeviceNet,nous avons écris un article dessus,vous pouvez le consulter en cliquant ici.

Zoom sur le bus ASi

L‘AS-Interface (AS-i) – ou plus précisément l‘Actuator-Sensor Interface – est un système de mise en réseau simple et efficace pour le niveau de terrain. Système de bus ouvert et non propriétaire, il assure la transmission des signaux tout-ou-rien et analogiques au niveau des machines et joue également le rôle d’interface universelle entre le niveau de commande et les capteurs et actionneurs binaires simples.

Sa simplicité et son efficacité sont telles qu‘il représente de loin la solution de mise en réseau la plus économique face à tous les autres systèmes de bus de terrain. Rien d‘étonnant donc à ce que l‘AS-i se soit imposé comme un véritable standard dans le monde de l‘automatisation industrielle.Car le système ne se distingue pas seulement par sa simplicité de mise en œuvre et son installation quasi-instantanée. Il offre aussi une souplesse d‘extension incomparable et une robustesse extrême, même dans les conditions les plus sévères.

La version du bus AS-i dénommée AS-i 5 vient de voir le jour.Vous pouvez en savoir plus sur l'ASI 5 en cliquant ici.

Zoom sur le Profinet

Le PROFINET IO est un standard Ethernet industriel ouvert et destiné au monde de l'automatisation.Contrairement au PROFINET CBA (Component Based Automation) qui est destiné aux systèmes distribués,le PROFINET IO se concentre sur l'échange de données entre automates programmables.Le PROFINET CBA fournit un système basé sur DCOM pour l'organisation des systèmes d'automatisation dans les réseaux de dispositifs analogues qui peuvent automatiquement échanger des données à l'aide de relations prédéfinies entre les interfaces des composants d'automatisation.

PROFINET IO est très similaire au Profibus.Alors que Profibus utilise les communications cycliques pour échanger des données avec des automates programmables à une vitesse maximale de transmission de 12 Mbits ,le PROFINET IO utilise le transfert de données cyclique pour échanger des données avec des automates programmables sur Ethernet.

Dans l'environnement Siemens,des outils logiciels tel que Sinetplan sont utilisés pour planifier des réseaux PROFINET.Sinetplan est utilisé en particulier pour la planification et l'exploitation des réseaux Profinet en utilisant des services de données acycliques tels que le TCP / IP, ainsi que la communication cyclique en temps réel. Les projets déjà concus sur STEP 7 sont faciles à importer, et les systèmes existants sont numérisés en ligne, vérifiée et simulée.

Zoom sur le modbus

Le Modbus est un protocole de communication introduit par Modicon en 1979 .C'est l'un des bus de terrain les plus utilisés dans le monde de l'automatisme industriel.Il est généralement utilisé avec les automates programmables ou les équipements de types industriels.Le modbus existe en trois variations : le modbus ASCII très peu utilisé aujourdh'ui,le modbus RTU et le modbus TCP/IP.Pour tester vos connaissances sur le modbus,vous pouvez effectuer notre test QCM en cliquant ici.

Réseau industriel et pyramide CIM

Comme on peut le voir sur l'image tout en haut,4 niveaux constituent la pyramide CIM.A chaque niveau de la pyramide CIM,nous avons des types de réseaux bien spécifiques.

Par exemple au niveau 0 de la pyramide CIM (niveau capteur/actionneur), les signaux des capteurs et des actionneurs sont transmis via un bus capteur/actionneur.À ce niveau, une technique peu coûteuse, qui consiste à transmettre les données et l'alimentation 24 volts via un support commun, est une exigence importante.Les données sont transmises de manière purement cyclique.Comme type de réseau capteur/actionneur nous avons par exemple le bus ASi.

Au niveau 1 ou "niveau automatismes" ,nous avons les automates programmables,les PC industriels et autres types de contrôleurs.Le flux d'informations nécessite d'importants paquets de données et un grand nombre de fonctions de communication puissantes.Aujourd'hui,les réseaux "Ethernet industriel" sont de plus en plus utilisés.

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automatisme réseaux industriels bus de terrain

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Commentaires (1)

Ancelot stephane
  • 1. Ancelot stephane (site web) | 09/09/2019
Bonjour,
C'est interessant d envoyer ce document dans une newsletter. Cependant, cet article est largement "outdated".
Il y a une base installée dans les entreprises sur des bus CANs.Mais les protocoles d'aujourd'hui sont majoritairement des protocoles ethernet temps réél, dont ethercat / profinet irt / powerlink.
Cordialement,
S.Ancelot

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