Protocole de communication industriel (2/2)

Protocole de communication industriel

Dans le monde industriel, on rencontre un grand nombre de protocoles de communication différente ayant chacun leur particularité, leur avantage et leurs inconvénients. Nous avons vu dans le chapitre précédent Protocole de communication industriel (1/2), les différents types de protocoles et leur normalisation, nous allons dans ce chapitre, montrer des exemples de ces protocoles qu’il soit dédié pour les actionneurs ( CAN), utilisé par les automates ( Modbus)   ou généraliste comme l’Ethernet TCP/IP .

Sous l’effet conjugué des contraintes des utilisateurs, des technologies et des standards, les architectures actuelles se structurent en cinq niveaux distincts et interconnectés par des réseaux, comme présentés sur l’image ci-dessous :

Réseaux de communications

À chaque niveau dans un milieu industriel correspond un réseau permettant de relier ces différents éléments. Entre deux niveaux différents, il doit y avoir une passerelle si les deux réseaux sont hétérogènes.

Les besoins en communication sont très diversifiés selon les équipements connectés et les applications qu’ils supportent ce qui explique que les réseaux locaux industriels sont nombreux et variés. Le trafic au niveau des réseaux de terrain n’est pas le même que celui des réseaux d’atelier ou d’usine. Les besoins diffèrent selon la taille des données à transmettre et les contraintes de temps associées. Les flux d’échanges de données provenant du bas des architectures ne cessent de croître. Ceci nécessite d’augmenter les capacités de traitement des composants d’automatisme. Il devient donc obligatoire d’augmenter les capacités et les performances des réseaux de communication essentiellement sur le bas des architectures et de développer au maximum une communication horizontale.

Les Bus capteurs actionneurs (SensorBus)

Les bus capteurs, sont des protocoles de communication de très bas niveaux. Pour la plupart ils utilisent le protocole CAN (Controller Area Network) qui est un bus système série. Il met en application une approche connue sous le nom de multiplexage, et qui consiste à raccorder à un même câble (un bus) un grand nombre de calculateurs qui communiqueront donc à tour de rôle. Toute transmission des données à travers le bus est bornée grâce à un temps maximal normalisé. De plus l’architecture CAN possède un système d’erreur simple et efficace. Les contrôleurs CAN sont physiquement petits, peu coûteux et entièrement intégrés. Ils sont utilisables à des débits importants, en temps réel et dans des environnements difficiles.

CanOpen

Can Open est un protocole qui utilise le bus série CAN. Ce Protocole impose des mécanismes de communication standardisés. Le premier avantage du protocole CAN Open est qu’il supporte des systèmes temps réel, car un temps maximal entre l’émission et la réception des trames pour un processus quelconque peut être défini. Le second avantage est la programmation-objet, il s’agit en fait d’une table (Object Dictionnary) regroupant tous les objets accessibles via le bus.


ASI

AS -Interface : La liaison physique est composée d’une simple paire de fils gainés. Sur ces fils transitent les données ainsi que l’alimentation électrique. Le bus AS-I permet d’utiliser jusqu’à 124 capteurs (4 capteurs par embase) tout en gardant un temps de réaction très faible de 5 ms. La longueur maximale d’un segment AS-I est de 100 mètres. La taille des données est limitée à 4 bits.


DeviceNet

DeviceNet est un protocole de communication de bus utilisé dans l’industrie pour connecter et administrer à distance une large gamme d’appareils tels que des senseurs et utilisant la technologie CAN. L’alimentation et le signal transitent dans le même câble. Le bus permet d’utiliser jusqu’à 100 équipements avec une vitesse de 500 kbit/s (<160 µs), avec une Distance maximale entre équipements de 10 m.

Bus de terrain (DeviceBus)

Le bus de terrain, ou bus Machine à une architecture distribuée. Intégration fonctionnelle et transparence des échanges. Connectent dans un atelier ou une cellule, les modules de commande de robots, de maintenance et de contrôle de la qualité. Ils permettent d’avoir une communication entre l’automatisme et le monde informatique.

Modbus

Modbus : Protocole non propriétaire créé en 1979 et encore utilisé de nos jours ! Il est très répandu depuis sa création du fait de sa simplicité et de sa bonne fiabilité. Il existe deux supports de communication ; Modbus RTU ou ASCII : Son câblage se base sur la norme EIA-485 (RS485) ; Modbus TCP/IP : Support Ethernet, très apprécié actuellement


BacNet

Bacnet : protocole standard international normalisé par l’ANSI et l’ISO, spécifiés par le monde du CVC (chauffage, de la ventilation et de la climatisation). L’attrait de ce protocole est qu’un réseau BACnet et une application de supervision sont tous deux des systèmes intégralement orientés objet. Il existe deux supports de communication ; Bacnet MST/TP : Son câblage se base sur la norme EIA-485 (RS485) ; Bacnet/IP : Support Ethernet, très apprécié actuellement


ProfiBus

Profibus — DP (Decentralised Peripheral) (périphérie décentralisée) est utilisé pour la commande déterministe dite « temps réel » de capteurs, d’actionneurs ou d’automates programmables par une commande centrale, par exemple par un automate programmable virtuel sous PC (« soft PLC ») réalisant des fonctions d’automatisme et de régulation.

Réseaux locaux industriels (FieldBus)

Synchronisation des API même îlot d’automatisme échanges d’information en mode client/serveur avec les outils de conduite (HMI, supervision). : Ce sont des réseaux locaux informatiques qui relient l’ensemble de l’usine.

EtherCAT

EtherCAT : (abréviation de l’anglais Ethernet for Control Automation Technology). Il a pour particularité d’être orienté temps réel tout en utilisant certaines couches physiques d’Ethernet, notamment 100BASE-T. Il est donc très rapide, il permet de mettre à jour 256 E/S digitales en 11 µs.


Profinet

PROFINET est basé sur Ethernet et mise systématiquement sur l’IEEE 802,3 u : Fast Ethernet 100 Mbit/s. PROFINET utilise TCP/IP ainsi que les standards de technologie de l’information (serveur Web : HTTP, protocole de communication : SMTP, transfert de fichiers : FTP). Ce protocole est utilisé par Siemens.

L’Ethernet TCP/IP : Le protocole « universelle »

En réponse à l’enjeu d’une communication « universelle », Ethernet prend place sur le front des automatismes. Il existe de grands standards communs, plus ou moins suivis par les fabricants, qui « adapte » leurs produits au standard de l’Ethernet. Parmi ces standards, on peut citer ProfiNet (géré par l’association ProfiBus International), DeviceNet, CIP et Ethernet IP (gérés par l’association ODVA), EtherCat (Forum ETG), Sercos (Association Sercos International). En revanche, il restera compliqué de dialoguer entre ces grandes familles.

L’Ethernet TCP/IP standard constitue une couche physique basse pouvant véhiculer des protocoles tels qu’Ethernet IP ou ModBus TCP dans le cadre d’une automatisation séquentielle classique. Cette stratégie emploie des composants également standards (routeur ou switchs) bien qu’adaptés aux environnements sévères.

L’Ethernet propose aussi sa solution pour transmettre l’alimentation comme sur les bus de terrain bas niveaux, cette solution (Power over Ethernet, PoE) permet des architectures modulaires.  

En revanche, l’utilisation de fonctionnalités réclamant un déterminisme à toutes épreuves, c’est-à-dire un temps de réponse très court et maîtrisé, tel que l’exige le contrôle de mouvement ou la sécurité machine, nécessite un Ethernet « amélioré ». Interviennent alors des switchs spécifiques capables de distinguer les trames prioritaires pour en assurer le déterminisme. Ses protocoles sont souvent propriétaire (ETHERCAT), mais ci-t-on l’initiative «  White Rabbit » du CERN, avec leur protocole et leur matériel open-hardware à la ns.

La tendance de l’Ethernet industriel s’inscrit tel un mouvement de fond, ouvrant de sérieuses perspectives aux concepteurs de machines ainsi qu’aux exploitants. Pour le fournisseur, l’Ethernet industriel ouvre la voie à des architectures plus souples et évolutives. Cette souplesse permet d’ajouter des équipements ou des modules d’entrées/sorties déportés, en théorie aussi simplement qu’une imprimante sur un réseau informatique.

Cependant, il faut bien rester conscient que l’Ethernet reste en proie à plusieurs grandes chapelles auxquelles s’associent les différents constructeurs. Malgré tout, l’interopérabilité totale au niveau de la machine, sans bidouille et sans passerelles, n’est pas encore pour tout de suite.

Passerelles de protocoles

Actuellement, pour répondre à la problématique des compatibilités des bus de terrain, nous retrouvons régulièrement des passerelles (logiciel ou hardware). Ces passerelles permettent d’échanger des données provenant de l’un des réseaux de terrain standard connecté aux E/S et à un réseau de plus hauts niveaux (par exemple Modbus TCP/IP).

Les passerelle hardware, est un système actif, avec un noyau informatique important, il 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 par la passerelle, puis formatées selon le protocole de sortie avant d’être réexpédiées vers ladite sortie).

OPC

Il existe aussi des passerelles Logiciel, la plus connue est la solution OPC : C’est un système de connectivité ouvert client/serveur permettant l’interfaçage d’automates et de superviseurs. OPC n’est pas un protocole de communication, mais aide les systèmes à fonctionner entre eux. Il assure une interopérabilité entre les applications Windows les matériels et logiciels du contrôle de processus. La norme définit une méthode cohérente pour accéder aux données de terrain de dispositifs d’usine. Cette méthode reste la même, quels que soient le type et la source de données.

Il existe donc des OPC serveur, ce sont des serveurs qui récupères les informations des réseaux automatiques (automate industriel) pour les rendre disponibles aux logiciels informatiques (Windows, Linux). Ces serveurs OPC sont donc très utiles, ils sont souvent intégrés aux solutions de Supervision.

IoT & les protocoles sans fil industriel

Les installations dédiées à la technique des procédés se caractérisent souvent par des structures réparties sur des surfaces étendues. L’acquisition des données d’E/S, tel que les températures, la pression et les niveaux de remplissage entraînent souvent des dépenses considérables liées aux distances à couvrir ou à l’inaccessibilité du site. Au contraire, les installations d’automatisation de la fabrication sont généralement limitées dans l’espace. Les distances à couvrir sont de l’ordre de quelques centaines de mètres. Les applications sont hautement dynamiques et nécessitent une rapidité d’adaptation pour basculer d’une application à l’autre.

Pour simplifier ces problématiques, nous retrouvons de plus en plus de solutions sans fil, à courte portée, ou à longue portée. Les problèmes posés pour l’exploitation de systèmes radio en milieu industriel sont évidemment liés à la sécurité. Sécurisé d’un point de vue de l’accès de l’information, mais aussi d’un point de vue perturbation (électromagnétique) pour que l’information arrive intacte.

Il existe ici aussi une multitude de protocoles sans fil, certain très grand public (Wifi, GSM, Bluetooth, NFC, RFID), d’autre dédié au monde de l’industrie et de l’automatisme présenté ci-dessous :

Protocoles IOT
ZIGBEE

ZigBee : Ce réseau utilise la bande 2,4 GHz. Il offre une portée de10 à 100) et un débit de 20 à 250 Kbps. Ses avantages sont une consommation réduite et une capacité à s’auto (re) configurer. Les cartes ZigBee possèdent un mode « hibernation » dans lequel elles peuvent passer le plus clair de leur temps, ce qui étend leur autonomie jusqu’à plusieurs années sur une simple pile. Le standard prévoit des topologies étoilées ou maillées. Dans ce dernier cas, la portée augmente lorsque des équipements périphériques viennent se rajouter au noyau déjà constitué. Le protocole est conçu pour minimiser la dépense énergétique, les nœuds se désactivant dès qu’ils détectent qu’ils ne peuvent être destinataires d’un message.


Zwave

Z-Wave : est la technologie la plus utilisée actuellement en domotique (de nombreux appareils sont disponibles). Tous les produits Z-Wave contiennent le même chipset, développé par une seule entreprise, et sont compatibles.Débit de communication de 100 kilobits par seconde. Faible consommation. Réseau de 232 périphériques maximum.


Sigfox

Sigfox : s’insèrent entre les technologies Wi-Fi et cellulaire en termes de portée. Elle utilise les bandes ISM, qui peuvent être utilisées gratuitement sans licences, pour transmettre des données sur un spectre très étroit, à partir et à destination d’objets connectés. Sigfox à une porte de : 30-50 km. Sigfox est uniquement conçu pour gérer des vitesses de transfert de données assez basses, de 10 à 1 000 bits par seconde. Sa consommation est limitée à 50 microwatts seulement.


Lorawan

LoRaWAN : cible les applications de réseau étendu (WAN) et est conçu pour fournir des réseaux étendus à faible consommation dont les fonctionnalités sont indispensables à la communication bidirectionnelle sécurisée mobile à faible coût dans les applications urbaines et industrielles intelligentes, ainsi que IoT et M2M. Optimisées pour une faible consommation et prenant en charge de grands réseaux comprenant plusieurs millions de circuits, les vitesses de transmission vont de 0,3 Kbit/s à 50 Kbit/s.

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