Le document explore les différents bus de terrain et leur utilisation dans l'automatisation des processus, en mettant en lumière les avantages, comme la réduction des coûts d'installation et l'amélioration de l'intégrité du signal. Il aborde également les technologies de communication, y compris HART, Modbus et Profibus, et discute des tendances futures et des défis liés à l'intégration des systèmes. Enfin, il souligne l'importance croissante des réseaux industriels dans le contrôle en ligne et l'optimisation des opérations.

1. Les Bus de Terrain Quels Bus dans quels cas ? Quel Avenir ?

2. Agenda Pourquoi le Contrôle Digital Bus de Terrain HART Modbus As-i DeviceNet Profibus Foundation Fieldbus Ethernet Industriel Quel bus? Quand Utiliser Ethernet & Quand Utiliser les Bus de Terrain

3. Connections Process Frontières Ethernet Industriel : Armoires Marshaling Interface niveau 0 – niveau 1 - Level 0 Communications Capteurs connectés au process Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 Firewall Analyser Firewall FF HART Analogique Ethernet Industriel Système de Contrôle Données Archives Réseaux Entreprise Niveau 0 Niveau 1 ® Connexions process

4. Signaux d’Instrumentation Les communications Digitales sont la prochaine étape technologiques dans le monde de l’automatisation des process. 1940 1960 1980 2000 Technologie Dominante Time Pneumatique Digital Propriétaire Analogique Bus de Terrain

5. Avantages de la technologie Bus de Terrain Réduction des coûts d’installation Plus faible nombre de terminaison Plusieurs instruments sur un même segment Réduction des coûts d’installation des câbles Moins d’instruments Transmetteurs intelligents Multivariables Plus faible encombrement Moins d’armoires I/O Moins de place occupée en Bâtiment/HVAC Réduit les besoins en fonctions systèmes grâce aux instruments “Intelligents” Contrôle sur le terrain Données Diagnostiques

6. Avantages de la technologie Bus de Terrain Intégrité du Signal Limites des instruments = Limite haute et limite basse Limite Basse = Valeur 4 mA Limite Haute = Valeur 20 mA

7. Avantages de la technologie Bus de Terrain Réduction des coûts d’installation Intégrité du signal améliorée vs. analog Augmente la capacité fonctionnelle des instruments (“intelligence”) Augmente les plages d’utilisation

8. Positionnement des Bus de Terrain Bit-Level Equipement Contrôlel Instrumentation Corporate Information ATM / FDDI Discrete Process Continu AS-i Seriplex Impacc SensorPlex CAN Interbus-S Foundation Fieldbus HSE Foundation Fieldbus H1 PROFIBUS FMS ControlNet Modbus + / DH+ ECHELON PROFIBUS DP DeviceNet SDS PROFIBUS PA LONworks HART ProfiNET

9. Instruments Smart Avantages : Plus d’informations Communications Bidirectionnelles avec des variables plus complexes Meilleure Précision, Intégrité Mise en fonction plus rapide Configuration facilité, calibration maintenance, et support Echanges : Interopérabilité limitée Manque des fonctionnalités multidrop Manque les contrôles de performances des boucles Nécessite des interfaces système spéciales Supports d’instruments spéciaux Instruments hybrides ou intelligents avec des interfaces personnalisées Analyzer Interfaces propriétaires ou customisées PLC

10. HART HART Communications Foundation www.hartcomm.org

11. Protocole HART

12. HART Protocol

13. Modbus www.modbus.org Tutorial at: http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html

14. Modbus : Couches Physiques Pas de couches physiques spécifiques, peut être utilisé sur tout type de réseaux; RS-232/RS-422 (point-to-point) RS-485 (multidrop bus) Bell 202 modem (switched et lignes louées) Asynchrone, Trames orientées Octets

15. Couche Application Deux Types de Messages: Question/réponse – Adressage spécifique “ Broadcast” - Adresse 00, Pas de réponse requise Code Fonction: Ce que l’esclave doit faire Dans quel partie de la “zone mémoire” l’information doit elle être placée eg. Coil Status, Input Status, Entrée Registre, Holding Register

16. Couche Application Le code fonction indique la zone mémoire concernée “ Data offset” est relatif au début de cette zone Exemple : code fonction 01 correspond à la lecture du “coil status” L’adresse mémoire commence au début de la zone coil. Nombre de points à lire inclus cet emplacement.

17. MODBUS communication stack

18. AS-i Actuator Sensor Interface http://www.as-interface.net/

19. Modèle Typique AS-i AS-i cable plc master

20. Couche Physique Lien de communication et alimentation. 31 esclaves possibles. 1 seul module maître. Topologie : Bus, Anneau ou Hiérarchique. Câble plat avec cross section unique. Câble 2 fils non armé également possible.

21. AS-i Câble Plat Un profil spécial prévient des inversions de polarité. Installation peu onéreuse liée au type de câble Un seul module de couplage pour une large gamme d’applications (I/O modules, branches, nœuds, Boîtes de dérivation) Différentes qualités de câbles: Câble caoutchouc auto cicatrisant. Résistance aux huiles : câble PUR Résistance à l’eau : câble PVC cable color yellow (ASi) cable color black (ext. 24 V)

22. Utilisations Typiques Factory Automation Instruments On/off logiques Installation en zones standards

23. DeviceNet Open Device Vendors Association http://www.odva.org/

24. Topologie Bus Linéaire (Trunkline-dropline ) Node Node Node Node Node Node Node Node Node Alimentation (24Vdc, 8A) & et communication avec tous les instruments sur un seul câble Longueur des segments: 0 - 6 mètres Branchement & Daisy-Chain Topologie Bus Linéaire (Trunkline-dropline)

25. DeviceBus Systems Basé sur le “Controller Area Network” (CAN) Développé pour l’automobile pour la gestion des carburants et systèmes d’ignition. Pas de gestion de maître ou de jeton Utilise CSMA/CA comme philosophie de base

26. Specifications Réseau Contraintes cumulées 156m @ 125Kbaud 78m @ 250Kbaud 39m @ 500Kbaud (Maximum of 6m chaque) Distance des Segments et vitesse 100m Max. avec câble fin 500m @ 125Kbaud (thick) 250m @ 250Kbaud (thick) 100m @ 500Kbaud (thick) (4Km avec Répéteurs) Nb Maxi d’instruments 64 Nœuds par Réseau Media Physique (Paires Torsadées armées) Communications et Alim Epais - Tronc fin – Tronc ou terminaisons Câblage terminaisons Terminaison simple Daisy-chaine Branchement Connections Instruments T-Taps Zero-drop Résistances de Terminaison 120  à chaque extrémité Alimentation Réseau 24vDC pour les instruments Tronc principal : 8 amps Câble fins : 3 amps Messaging Services Producer/Consumer High-speed I/O Programming Configuration Diagnostics

27. Profibus Profibus Trade Organisation www.profibus.org

28. Protocole Profibus PA-Profiles Device Profiles IEC Interface* ProfiNet IEC 1158-2 User Layer (3)-(6) Application (7) Data Link (2) Physique (1) not used PA EN 50 170 PROFIBUS profiles DP DP-Extensions Fieldbus Data Link (FDL) Fieldbus Message Specification (FMS) DP-Profiles RS-485 / Fiber Optic DP Basic Functions

29. Profibus un Système intégré Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet PROFINet PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Niveau Usine Temps de cycle du bus < 1000 ms PC/VME Niveau Terrain Temps de cycle du bus < 10 ms CNC VME/PC PLC DCS Zone Controleur Niveau Cellule Temps de cycle du bus < 100 ms

30. Profibus DP Organisation Typique

31. Maîtres. Contrôlent le bus. Appellent également les stations actives Esclaves Transmetteurs/capteurs/…. Acquittement uniquement des messages reçus. Deux types principaux de ressources

32. Gestion des jetons. Jeton transmis de station maître à station maître dans l’ordre ascendant. Quand une station maître reçoit un jeton d’un autre maître elle transfert alors le message. Couche Data Link

33. Profibus DP Système Multi Maîtres Plusieurs DP - maîtres peuvent accéder à un DP - esclaves en lecture - multiples Maîtres (Classe 1 or 2) - de 1 à. 124 DP-esclaves max - max. 126 Instruments sur le même bus DP-Maître (Classe 1) Entrées/Sorties distribuées PROFIBUS-P DP - Esclaves PLC PROFIBUS - DP PC DP-Maître (Classe 2) DP-Maître (Classe 1) Entrées/Sorties distribuées CNC

34. Configuration Profibus PA Typique PROFIBUS-DP RS 485 jusqu’à to 12 MBit/s DCS (PLC) Engineering ou Monitoring Tool PROFIBUS-PA IEC 1158-2 with 31.25 kBit/s I Segment coupleur/link Transmetteur H2 H1 Alim

35. Foundation Fieldbus www.fieldbus.org

36. Encodage au niveau du Bit Ajout d’une référence au temps sur le signal pour déterminer les limites du bit. Méthode d’encodage : Manchester Encodage des données Donnée Codée 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Data Horloge

37. Couches Physiques Serveur Bus Principal Cartes Entrées/Sorties Point à Point Bus segments (ou drops) Arbre JB Daisy Chain

38. Utilisation des Bus de terrain Aujourd’hui Large base installée > 2/3 des instruments smart vendus ont des capacités HART > 20 millions d’instruments HART installés dans le monde >700,000 instruments FF, 10,000 systèmes >700,000 instruments Profibus PA Les Mega-systèmes (>10K instruments) deviennent courants Les grandes sociétés standardisent les bus de terrains pour les fonctions de contrôle Meilleure disponibilité, Meilleure stabilité, réduit les temps de “commisioning” Préconisés pour les nouveaux projets Augmentation de l’utilisation des bus pour le contrôle en ligne.

39. Développement des Réseaux industriels Automation Contrôle Interbus Loop Interbus Instruments Information ASI Profibus DP Profibus FMS CAN CCLink ControlNet DeviceNet LonWorks ETHERNET Profibus PA HART F Fieldbus

40. Repartition par type des instruments Ethernet. Unit: Thousands of Nodes Source: ARC Advisory Group 2003 2002 Percent 2007 Percent CAGR PLCs 27.4 9.5% 777.9 12.8% 95.3% Remote I/O 93.4 32.5% 2245.8 37.0% 88.9% DCS I/O 34.4 12.0% 94.3 1.6% 22.4% Recorders/ Dataloggers 5.3 1.8% 133.7 2.2% 91.0% HMI/OIT 14.9 5.2% 973.7 16.1% 130.8% AC Drives 9.7 3.4% 522.5 8.6% 121.9% Servo / Stepper Drives 0.0 0.0% 153.8 2.5% N/A Motion Controllers 16.8 5.9% 54.3 0.9% 26.5% Network Infrastructure 35.9 12.5% 572.7 9.4% 74.0% Devices Servers, Gateways 24.0 8.4% 252.2 4.2% 60.0% Vision Sensors and Smart Cameras 22.3 7.8% 150.4 2.5% 46.5% Other 2.9 1.0% 132.0 2.2% 115.0% Total 287.0 100.0% 6063.3 100.0% 84.1%

41. Modèle ISO/OSI-7 Ethernet TCP/IP OS Email, HTTP, FTP, etc. 7 6 5 4 3 2 1 Application Layer Présentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Protocols/services for applications Selection of type of dialog Identification and Authorisation Representation of data Definition of coding type Definition of used characters Dialog control Synchronisation of session connection Sequencing of application data Control of start/end of transmission Error detection and clearing Routing, priorization Setup/release of connections Flow Control Framing Sequence Control Flow Control Bit transmission Coding Synchronisation

42. Modèles TCP/IP et OSI TCP Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Ethernet Transmission Media HTTP Serial Interface FTP Telnet SMTP PPP/ SLIP Ethernet IP ICMP ARP UDP DNS SNMP

43. Protocoles industriels et Ethernet Source: ARC Advisory Group 2003 http://www.iaona.org/home/downloads.php DCOM, PROFI-net Object Model UDP, TCP plus proprietary Complex Machinery Profibus International PROFInet IDA Object model (Modbus/TCP) TCP Discrete manufacturing especially motion control IDA Group, Schneider, Jetter, Sick, Kuka, Phoenix Contact IDA-Modbus Fieldbus Function Blocks UDP Process control Fieldbus Foundation Foundation Fieldbus-HSE Control and Information Protocol (CIP) TCP and UDP Any discrete or hybrid manufacturing ODVA, Control-Net International, Rockwell Automation, Omron, EtherNet/IP Couche Application Couches Transport Applications Cîbles Sponsoring Organisations Protocoles

44. HSE and Wireless Phased Development Control System Host Asset Managing Host HSE HSE May be Combined ISA 100 Wireless Mesh Network ISA100-FF Wireless Gateway SP100 in HART out FF out HART in FF in Wireless Phase 1 HSE-RIO Phase 1 HSE-RIO Phase 2 Wireless Phase 2 Other Protocols RIO Node Conventional I/O HART AI HART AO RIO Node Conventional I/O HART AI HART AO Other Protocols & FFB RIO Node Conventional I/O HART AI HART AO HSE COTS Wireless E’net

45. Which bus to catch? Buses have different strengths, limitations: Host system support Area Classification Distance limitations Equipment cost Signal Mix – ‘analog’ (numerical) vs. discrete Facility History Process needs & speed of response Availability of devices capable of desired measurements Best choice is often a combination of buses Different processes in different parts of the operation Different end uses – motor controls vs. process controls Trade-off: system more complex with more buses

46. Fieldbus vs. Ethernet + ++ + Availability/ Redundancy - ++ + Interoperability ++ ++ + Low total cost of ownership + ++ - Bandwidth + + ++ Intrinsic Safety - + ++ Single Line Power - + ++ Noise Immunity ++ - ++ with fiber + Distance + + ++ DCS Support Wireless Ethernet Fieldbus

47. Où trouver plus d’informations Les sites suivants vous permettrons de mieux appréhender ces technologies http://www.mtl-fieldbus.com http://www.relcominc.com/fieldbus/fbtechinfo.htm http://www.iceweb.com.au/Instrument/fieldbus.htm Les sites suivants vous donnerons des informations sur le déploiement de l’ethernet industriel Warriors of the Net (vidéo): warriorsofthe.net IAONA: http://www.iaona.org/home/downloads.php

48. Références Ian Verhappen & Augusto Pereira Phone: (919) 549-8411 E-mail Address: info@isa.org Jonas Berge Dick Caro

49. Périmètre de fourniture dans une usine digitale MTL Instruments strategy is to compete in the space between the DCS system and the field instruments/valves. Remote I/O