FF contre PA / PA contre FF

Le match les oppose depuis déjà plusieurs années, il faut remontée au début des années 1990 pour voir apparaître les premiers pions posés ça et là, sur la route des bus de terrain qui allé devenir l'un des enjeux majeurs dans le domaine des automatismes de cette fin de siècle. Voici un point complet sur ces deux approches. Le bus de terrain Fieldbus Foundation est un système de communication série bi-directionnel entièrement numérique qui assure l'interconnexion d'équipements industriels tel que capteurs, actionneurs et contrôleurs. Ce bus est un Réseau Local (LAN) pour instruments, avec des capacités intrinsèques de distribution des applications de régulation sur le réseau. La gestion de procédé qui tire profit de l'intelligence de terrain va bien au delà d'un simple contrôle de procédé. Il s'agit aussi désormais d'une gestion d'équipements: collecter et exploiter une profusion d'informations nouvelles auprès d'équipements. Elle englobe les taches de configuration, d'étalonnage, de surveillance, d'exécution de diagnostics et d'en assurer la traçabilité depuis tout endroit de l'unité, alors même que le procédé s'exécute. Technologie La technologie du bus de terrain Fieldbus Foundation s'articule autour de trois axes : . Couche physique . "Pile" de communication . Application Utilisateur La Couche Physique est la couche OSI 1. La Couche Liaison de Données (DLL) est la couche OSI 2. La Spécification de Message Bus de terrain (FMS) est la couche OSI 7. La Pile de Communication se compose des couches 2 et 7 du modèle OSI. Le protocole de bus de terrain n'utilise pas les couches OSI 3, 4, 5 et 6. La Sous-Couche d'Accès Bus de terrain (FAS) projette la FMS sur la DLL. Chaque couche du système de communication prend en charge une partie du message transmis sur le bus de terrain. Les valeurs numériques portées sur la figure 4 renvoient au nombre approximatif d'octets à huit bits utilisés par chaque couche pour transférer les données d'Utilisateur. Couche physique Les signaux du bus de terrain sont codés en technique Manchester Biphase-L. Le signal est qualifié de "série synchrone" car l'information de synchronisation y est intégrée dans un flux de données série. Le signal de bus de terrain est créé par combinaison des données avec le signal d'horloge. Le récepteur du signal de bus de terrain interprète une transition positive survenant au milieu de la période d'un bit comme un "0" logique et une transition négative comme un "1" logique (voir Figure 5). Bus de terrain H1 Le bus de terrain H1 peut être associé aux applications de contrôle industriel comme la régulation de température, de niveau et de débit. Les équipements peuvent être directement alimentés par le bus de terrain et fonctionner sur le câblage existant utilisé pour les appareils 4-20 mA. Le bus de terrain H1 supporte aussi la sécurité intrinsèque (SI) avec appareils alimentés par bus. Une barrière de sécurité intrinsèque est interposée entre l'alimentation de la zone sûre et l'appareil SI de la zone explosible (voir Figure 2). Signal sur le bus de terrain Hl L'appareil émetteur délivre+ 10 mA à 31,25 kbits/s dans une charge fictive de 50 Ohms qui crée une tension crête-à-crête de 1,0 volt modulée au-dessus de la tension d'alimentation en courant continu (c.c. ). La tension d'alimentation c.c. est comprise entre 9 et 32 Vc.c.(voir Figure 7). Toutefois, la tension d'alimentation autorisée pour les applications SI dépend des caractéristiques nominales de la barrière. Câblage du bus de terrain Hl Le bus de terrain Hi admet des dérivations ou "brins" schématisés sur la Figure 8. La longueur du bus de terrain est gouvernée par la vitesse de communication, le type de câble, le calibre des fils, son option d'alimentation et l'option SI. Le tronçon principal ne peut dépasser une longueur totale de 1.900 mètres en câble blindé à paires torsadées. La longueur de câble est déterminée en ajoutant la longueur du câble de réseau à celles de tous les brins. Des bouchons de charge sont placés à chacune des extrémités du câble principal, ainsi que l'illustre la Figure 8. Si vous avez le choix, il vaut toujours mieux que les dérivations aient une longueur aussi courte que possible. La longueur totale des dérivations est limitée par leur nombre et celui des appareils desservis par chacune d'elles. Le Tableau 1 récapitule les longueurs maximales de dérivations admissibles en fonction du nombre d'appareils présents sur un segment. Le nombre total d'appareils connectables au bus de terrain varie en fonction de facteurs tels que la puissance consommée par chaque appareil, le type de câble utilisé, l'emploi de répéteurs, etc. Bus de terrain H2 Les bus de terrain H2 seront typiquement utilisés dans les applications évoluées de contrôle de procédés, d'entrées/sorties déportées et d'automatisation industrielle à grande vitesse. La Fieldbus Foundation a annoncé au Printemps 1998 que H2 sera développé à partir d'une technologie du marché : Ethernet 100 Mbits/s, appelé communément Fast Ethernet. Des fonctionnalités telles que la configuration et la maintenance, ainsi que des applications de supervision et de contrôle font partie intégrante du programme de développement de H2. L'utilisation de cartes et logiciels standard Fast Ethernet seront supportés, ainsi la plupart des ordinateurs pourront s'interfacer aux équipements de terrain et au sous-systèmes d'E/S. Le programme de développement prévoit une passerelle pour relier ordinateurs et bus H1. Cette passerelle permettra également la communication point à point entre appareils sur divers bus H1. La redondance du media Ethernet assurera le niveau de sécurité requis pour les applications de contrôle ou de supervision critiques. Le Tableau 2 donne un exemple d'options prévues par la norme de Couche Physique. Pile de communication Les paragraphes suivants sont consacrés à la description du fonctionnement des couches qui composent la Pile de Communication (voir Figure 3). Couche Liaison de Données La Couche Liaison de Données (Data Link Layer, DLL) contrôle la transmission des messages sur le bus de terrain. Elle gère l'accès au bus de terrain à travers un gestionnaire de trafic centralisé déterministe appelé Ordonnanceur de Liaisons Actives (Link Active Scheduler, LAS). La DLL est un sous-ensemble du nouveau standard DLL IEC/ISA. Types d'appareils Trois types d'appareils sont définis dans la spécification DLL : . Appareils de base qui ne peuvent pas devenir LAS. . Appareils Maîtres de Liaison (Link Master) qui peuvent passer en LAS. . Passerelles qui sont utilisées pour interconnecter des bus de terrain individuels afin de créer de plus grands réseaux (prévus pour une version future.) Voir Figure 9. Communications ordonnancées L'Ordonnanceur de Liaisons Actives (LAS) dispose de la liste des temps de transmission applicables à l'ensemble des buffers de données de tous les appareils qui doivent être sollicités cycliquement. Lorsqu'il est temps pour un appareil d'envoyer un buffer, le LAS émet à son intention un message de Contrainte Emission Données (Compel Data, CD). Sur réception du message CD, l'appareil difl'use ou "publie" et produit les données du buffer auprès de l'ensemble des appareils du bus de terrain. Tout appareil configuré pour recevoir les données est appelé "consommateur". Les transferts de données ordonnancés servent typiquement au transfert cyclique et normal des données de boucle de régulation entre équipements présents sur le bus de terrain. Communications non ordonnancées Tous les équipements du bus de terrain ont l'occasion d'envoyer des messages "non ordonnancés" entre les sessions de messages ordonnancés. Le LAS autorise un appareil à utiliser le bus de terrain en lui délivrant un message de Passage de Jeton (Pass Token, PT). Sur réception du message PT, l'appareil est autorisé à envoyer des messages jusqu'à ce qu'il ait terminé ou jusqu'à l'expiration du "temps maximal de maintien de jeton", selon l'événement qui intervient le plus tôt. Le message peut être envoyé à un seul destinataire ou à de multiples (multidestinataire). (Voir Figure 1l). Fonctionnement de l'0rdonnanceur de Liaisons Actives (LAS) Le fonctionnement global de l'ordonnanceur de Liaisons Actives (LAS) porte sur les opérations suivantes : . Calendrier des contraintes d'émission de données (CD) Le Calendrier CD contient la liste des activités prévues pour survenir de manière cyclique. . Mise à jour de la Liste Vivante La liste de tous les appareils qui répondent correctement au message de Passage de Jeton (PT) est appelée "Liste Vivante". De nouveaux appareils peuvent être ajoutés à n'importe quel moment au bus de terrain. . Synchronisation du temps de liaison de données Le LAS diffuse périodiquement un message de Distribution de Temps (Time Distribution, TD) sur le bus de terrain, afin que tous les appareils aient exactement le même temps de liaison de données. . Passage de jeton Le LAS envoie un message de Passage de Jeton (PT) à l'ensemble des appareils de la Liste Vivante. L'appareil ayant reçu le message PT est autorisé à transmettre des messages non ordonnancés. . Redondance LAS Un bus de terrain peut avoir de multiples Maîtres de Liaison. En cas de défaillance du LAS actif, l'un des Maîtres de Liaison devient LAS et le bus de terrain continue à fonctionner. Sous-Couche d'Accès au Bus de Terrain (Fieldbus Access Sublayer, FAS) La FAS fait appel aux fonctions ordonnancées et non ordonnancées de la Couche Liaison de Données pour fournir des services à la Spécification de Message de Bus de Terrain (Fieldbus Message Specification, FMS). Les types de services FAS sont décrits par les Relations de Communication Virtuelles (Virtual Communication Relationships, VCR). Les VCR sont similaires à la fonction de numérotation abrégée de votre téléphone à mémoire. Une communication internationale oblige à composer un numéro à nombreux chiffres : indicatif d'accès international et numéro de téléphone proprement dit sur 10 chiffres. Ces informations qu'il suffit de saisir une seule fois sont affectées ensuite d'un "numéro de numérotation abrégée". Après sa mise en place, il suffit de composer le seul numéro de numérotation abrégée pour qu'ait lieu la composition du numéro de téléphone. VCR de type client/serveur La VCR de type client/serveur sert aux communications non ordonnancées, initiées par l'utilisateur et gérées par files d'attente ainsi qu'aux communications point à point entre appareils présents sur le bus de terrain. VCR de type Distribution de Rapport La VCR de type Distribution de Rapport est utilisée pour les communications de type diffusion, non ordonnancées ou initiées par l'utilisateur, gérées par files d'attente. La VCR de type Distribution de Rapport est typiquement utilisée par les appareils du bus de terrain pour envoyer des avis d'alarme aux consoles d'opérateur. VCR de type Producteur/ Consommateur La VCR de type producteur/ consommateur sert aux communications enregistrées de type diffusion. Enregistrée signifie que seule la dernière version des données est conservée au sein du réseau, les nouvelles données écrasant entièrement les anciennes. Spécification de Messages Bus de terrain (FMS) Les services de Spécification de Messages Bus de terrain (Fieldbus Message Specification, FMS) permettent aux applications utilisateur de s'envoyer des messages entre elles sur le bus de terrain au moyen d'un ensemble standard de structures de message. Les FMS décrivent les services de communication, les structures de messages et les comportements de protocole nécessaires à la construction des messages pour l'Application Utilisateur (voir Figure 13). Application Utilisateur. Les Blocs La Fieldbus Foundation a défini une Application Utilisateur standard fondée sur la notion de "Bloc". Les blocs sont des représentations de différents types de fonctions d'application (voir Figure 18). Les types de blocs utilisés dans une Application Utilisateur sont décrits sur la Figure 19. Bloc Ressource Le Bloc Ressource décrit les caractéristiques de l'appareil de bus de terrain telles que le nom d'appareil, le constructeur et le numéro de série. Il n'y a qu'un bloc ressource par appareil. Bloc de Fonction Les Blocs de Fonction (Function Block, FB) décrivent la stratégie de contrôle. Les paramètres d'entrée et de sortie des Blocs de Fonction peuvent être reliés à travers le bus de terrain. L'exécution de chaque Bloc de Fonction est ordonnancée avec précision. Il peut y avoir de nombreux blocs de fonction dans une seule Application Utilisateur. La Fieldbus Foundation a défini des ensembles de Blocs de fonction. Dix Blocs de fonction standard pour le contrôle de base sont ainsi définis par la spécification FF-891 Blocs de fonction, partie 2. Nom du Bloc de Fonction / Symbole Entrée analogique / AI Sortie analogique / AO Décalage (Bias) / B Sélecteur de contrôle / CS Entrée logique / Dl Sortie logique / DO Chargeur manuel / ML Régulation proportionnelle-dérivée / PD Régulation proportionnelle intégrale-dérivée / PID Ratio /RA Les blocs de fonction peuvent être créés dans des appareils de bus de terrain en fonction des besoins liés à la fonctionnalité désirée. A titre d'exemple, un simple transmetteur de température contiendra un bloc de fonction AI. Une vanne de régulation pourrait contenir un bloc de fonction PID en plus du bloc AO attendu. Ainsi est-il possible de construire une boucle de régulation complète en se contentant d'utiliser un simple transmetteur et une vanne de régulation (voir Figure 20). Bloc Traducteur Les Blocs Traducteur libèrent les Blocs de Fonction des traitements locaux d'entrée/sortie exigés pour lire les capteurs et commander le matériel de sortie. Ils contiennent des informations telles que la date d'étalonnage et le type de capteur. Il y a généralement un bloc traducteur par Bloc de Fonction d'entrée ou de sortie. Définition des Equipements de Bus de Terrain La fonction d'un équipement ou appareil de bus de terrain est déterminée par la disposition et l'interconnexion des blocs (voir Figure 22). Le système de communication du bus de terrain peut voir les fonctions de l'appareil grâce par l'Appareil Local Virtuel (VDF) de l'Application Utilisateur évoqué plus haut. La Gestion du Système Le Gestionnaire Système synchronise l'exécution de ces Blocs de Fonction et la communication de leurs paramètres sur le bus de terrain. Le Gestionnaire Système traite aussi d'autres fonctions importantes du système comme la diffusion de l'heure à l'ensemble des appareils, avec bascule automatique sur un éditeur de temps redondant, l'affectation automatique des adresses d'appareil et la recherche des noms de paramètres ou "repères" sur le bus de terrain. Description d'Appareil L'interopérabilité est une caractéristique essentielle à laquelle doivent souscrire les équipements du bus de terrain. Sa mise en œuvre fait appel à la technologie de Description d'Appareil (Device Description, DD) en plus des définitions standard de paramètres de Blocs de Fonction et de comportement. Une DD fournit une description étendue de chaque objet dans le VFD, comme indiqué Figure 26. En fait, la DD peut être assimilée à un "driver" d'appareil. Outil de compilation des Descriptions d'Appareil La DD est écrite dans un langage de programmation normalisé connu sous le nom de Device Description Language (DDL). La Fieldbus Foundation (FF) fournit les DD pour l'ensemble des Blocs de Fonction et des Blocs traducteur standard. Les constructeurs adaptent et complètent les standards en réalisant des DD "incrémentales". Les constructeurs peuvent aussi ajouter des fonctions qui leur sont propres comme les procédures d'étalonnage et de diagnostic applicables à leurs appareils. Ces fonctions peuvent aussi être décrites dans la DD incrémentale. La Fieldbus Foundation propose les DD standard sur CD-ROM. L'utilisateur peut obtenir le DD incrémentales auprès du constructeurs d'appareils ou bien de la Fieldbus Foundation si ce dernier l'a enregistrée auprès de cet organisme. Hiérarchie de Description d'Appareil La Fieldbus Foundation a défini une hiérarchie de Description d'Appareil (DD) afin de faciliter l'interopérabilité. Cette hiérarchie est représentée sur la Figure 29. Au premier niveau : les Paramètres Universels. Au niveau suivant de la hiérarchie : les paramètres de Bloc de Fonction. A ce niveau, les paramètres sont définis pour les Blocs de Fonction standard. Au troisième niveau: les paramètres de Bloc Traducteur. A ce niveau, les paramètres sont définis pour les Blocs Traducteur standard. Au quatrième niveau de la hiérarchie : les paramètres Spécifiques Constructeur. A ce niveau, chaque Constructeur est libre d'ajouter des paramètres supplémentaires aux Paramètres de Bloc de Fonction et aux Paramètres de Bloc Traducteur. Ces nouveaux paramètres seront inclus dans la DD incrémentale. Configuration Système La configuration système du bus de terrain se compose de deux phases : . Conception Système . Configuration Appareil Conception Système La conception système des systèmes à bus de terrain est très similaire à celle des actuels systèmes de contrôle-commande (SNCC), à quelques différences près. La première différence qui relève du câblage vient de l'utilisation d'un signal numérique au lieu d'un signal point à point analogique 4-20 mA. Le même câble actuellement utilisé pour les signaux 4-20 mA peut être réutilisé pour le bus de terrain. Mais les liaisons multipoints sont alors possibles. Chaque appareil présent sur le bus de terrain doit avoir un repère d'appareil physique unique et une adresse réseau correspondante. La seconde différence réside dans la faculté de distribuer les fonctions de contrôle vers les équipements du bus. Une telle possibilité peut contribuer à réduire le nombre de contrôleurs et de cartes d'E/S imposé par la conception du système. Configuration d'Appareil Une fois la conception du système achevée et les instruments sélectionnés, la configuration d'appareil est exécutée par interconnexion des Blocs de Fonction suivant la stratégie de contrôle (Figure 30). Ces connexions sont réalisées au moyen d'objets graphiques via le logiciel de configuration, plutôt que par des connexions physiques sur le terrain. Tout devient opérationnel après envoi de la configuration vers les équipements de Le match les oppose depuis déjà plusieurs années, il faut remontée au début des années 1990 pour voir apparaître les premiers pions posés ça et là, sur le route des bus de terrain qui allé devenir l'un des enjeu majeur dans le domaine des automatismes de cette fin de siècle. Aussi, nous avons voulu faire un point le plus complet possible sur ces deux approches qui aujourd'hui s'affrontent ouvertement pour obtenir la place de leader incontesté dans le monde de la communication du process. Car, ils en sont convaincus, il sera difficile aux deux de vivre repli chacun dans leurs pays de prédilection, pour l'un l'Europe et l'autre les Etats-Unis. Le process est un enjeu mondial et il n'y aura de vainqueur que mondial. S'il est vrai que cette guerre, qui était resté confiné dans les tranchées, est maintenant apparue ouvertement à coup de communiqués de presse toujours plus assassins. C'est pourquoi, nous n'avons pas voulu dans ce dossier remettre de l'huile sur le feu, nos belligérants étant tout à fait capable de le faire sans nous. Nous avons découpé de comparatif selon trois grandes lignes, tout d'abord nous allons replacé historiquement les différentes démarches pour mieux comprendre ce qui se passe aujourd'hui. Ensuite, vous pourrez regarder de plus près les aspects techniques de chacune des solutions. Enfin, quelques applications seront évoquées, certaines vont sont peut-être connues, d'autres non. D'abord Profibus… Il est nécessaire pour bien comprendre le match qui oppose FF à PA de les situer. Le premier c'est sans conteste PA qui, même s'il n'était pas prévu à l'origine, est le dernier descendant d'une famille comprenant à l'origine déjà plusieurs membres. L'aîné, et le plus célèbre c'est Profibus DP qui fut conçu après la création en 1987 des premiers travaux sur le bus de terrain Profibus. Profibus-DP fut rapidement suivi par Profibus-FMS qui venait fédérer des cellules communicant à l'étage au-dessous avec la version DP. Profibus commençait ainsi à développer sa propre toile d'araignée DP en bas dans le manufacturier pour les actions rapides, en haut FMS pour la gestion de cellules. Mais il s'est vite avéré qu'un créneau ne pouvait être couvert ni par l'un ni par l'autres de Profibus, c'était celui du process. Pour le process, une autre approche vit le jour. Une option qui ouvrait la porte à d'autres fournisseurs que ceux plutôt orientés manufacturier comme pouvaient l'être les premières sociétés adhérentes de l'association Profibus. Une orientation la plus large possible, car Profibus devait faire face à Fip qui empiétait sur son terrain. Les premiers différends dans le process date de la fin des années 1980. En janvier 1989, il fut même décidé de trouver un consensus en créant une commission qui déboucha sur une proposition avec une seule norme et deux protocoles. S'ensuivit une période de confusion, notamment au sein de l'ISA (organisme américain pour la normalisation dans les industries des procédés -Honeywell, Rosemount...) avec deux spécifications qui circulaient : l'UFB (Unified Fieldbus) connu sous la référence ISA 300 D et soutenu par les partisans de Profibus, et un Draft connu sous la référence ISA 326 et soutenu par les partisans de FIP. …Puis l'ISP… C'est ainsi que naissent deux associations en 1990. D'un côté l'IFG soutenue par Rosemount et Siemens, et de l'autre, l'OFC soutenue par le Nema (Allen Bradley, SquareD...). Devant cette situation antagoniste, 1'ISA décida d'organiser un vote qui conduisit à la victoire de l'OFC en juin 1990 et donc à la fin de l'IFG. Mais l'esprit américain est bien différent de l'esprit européen : souvenez-vous, dans l'OFC, il y avait Honeywell et dans l'lFG Rosemount. Ce dernier, bon perdant, demanda à son rival s'il était possible d'envisager une collaboration. C'est ainsi que naquit l'IFC. Un rassemblement dont pas grand-chose n'est sorti. Ces travaux étaient même tellement longs qu'afin de reprendre l'offensive, les partisans de Profibus décidèrent de créer en septembre 1992 1'ISP; FIP répliqua en février 1993 avec la création de WorldFip. Tout le monde était pratiquement revenu à la situation d'avril 1989. C'est-à-dire que les utilisateurs demandaient toujours un seul standard, mais qu'en parallèle Honeywell était encore avec WorldFip et Rosemount avec 1'ISP. …Et enfin la Fieldbus Fondation C'est alors que les américains décident de prendre les choses en main, ils proposent de réunir leurs compétences. C'est ainsi que Honeywell et Rosemount relancent les travaux pour une norme internationale et créèrent en août 1994 la Fieldbus Foundation. Exit donc l'ISP, mais également WorldFip North America. C'est à cette époque que Profibus décide de franchir une étape et annonce le développement d'un Profibus-PA, après avoir quelques temps parlé de Profibus-ISP. La rapidité de réaction de la part de Profibus, mais également l'acquis cumulé au fil des ans avec les versions de DP et d'FMS vont lui permettre d'être le premier à présenter une gamme de produits, mais également le premier à pouvoir organiser des visites se sites vraiment industriels à faire pâlir FF. Entre temps Profibus-ISP et devenu Profibus-PA. Pour la FF la course contre le temps et les embûches démarre à ce moment-là. En fait, toutes les sociétés donnent l'impression de participer, mais derrière les bonnes intentions se cachent le plus souvent une façon de mieux faire capoter cet énième projet de norme internationale, à laquelle personne ne croit vraiment. Seulement de fil en aiguilles, les américains arrivent à fédérer suffisamment leur compatriotes, notamment ceux du process, et FF progresse si bien que les votes arrivent à passer les uns après les autres. Et si H1 semblait ne pas trop gêner, le choix pour H2 de Fast Ethernet en fait sursauter plus d'un, tout en donnant des boutons aux autres. Un virage qui donne un coup de fouet aux travaux de la FF qui vient de voir récemment ces travaux prendre un coup sérieux de la part des Européens avec une série de votes négatifs qui ont fait sortir le président de la FF de ses gonds en traitant de tous les noms d'oiseaux les partisans de PA. Un bras de fer qui, comme nous l'avons vu, n'est plus seulement Européen ou Américain, mais mondial. Car les offreurs de produits destinés au process ne veulent plus développer sur plusieurs bus de terrain, aussi les premiers choix stratégiques sont en train de se faire laborieusement. Les offreurs ne proposant pour la plupart qu'une solution, mais gardant quand même deux fers au feu et sont pour tous les grands prêts à sortir des produits sur l'autres standards si la demande se fait sentir. En conclusion, l'utilisateur est roi, tous le monde l'a compris d'où les annonces d'applications de plus en plus complexes montrant la maturité de l'une ou l'autre des technologies. Car si l'utilisateur va encore hésiter quelques temps, il a néanmoins permis de clarifier les marchés du process. Ni WorldFip, ni ControlNet, ni Interbus ne parlent de concurrence directe sur les grandes applications de process; ces solutions originaire du monde manufacturier sont prêtes à venir dans le milieu du process uniquement en complément de ligne comme sur des lignes agroalimentaires qui intégreraient sur l'ensemble de la lignes quelques îlots réclamant les spécificités d'un réseau process. Profibus est un réseau de terrain répondant aux besoins d'applications dans les domaines du manufacturier, du process et du bâtiment. Profibus autorise le dialogue de matériels de différentes marques sans passer par des interfaces spécialisées. Il se prête aussi bien à la transmission de données exigeant des actions réflexes, en des temps de réaction très courts, qu'aux échanges de gros volumes d'information complexes. Profibus se décline en trois versions ou protocoles: Profibus-DP est réservé au dialogue entre automatismes et périphérie d'entrée et de sortie décentralisée, au niveau terrain. Profibus-PA répond aux besoins spécifiques de l'industrie des procédés et des applications en zone antidéflagrante. Il assure le raccordement de capteurs et d'actionneurs sur un bus commun, y compris dans des zones à sécurité intrinsèque. Données utiles et énergie transitent sur une liaison bifilaire, en conformité avec la norme internationale CEI 1158-2. Profibus-FMS est principalement destiné à la gestion de cellules. Il convient également aux échanges de données complexes et volumineuses. Profibus spécifie les caractéristiques techniques et fonctionnelles d'un bus de terrain série destiné à interconnecter des automatismes numériques répartis aux niveaux terrain et cellule. A cette fin, Profibus distingue des équipements maîtres et des équipements esclaves : . Les maîtres ou stations actives pilotent la transmission de données sur le bus. Le maître peut librement émettre des messages sous réserve d'obtenir le droit d'accès au réseau jeton). . Les esclaves ou stations passives sont des équipements périphériques (blocs d'E/S, vannes, entraînements et transmetteurs de mesure) qui n'ont pas le droit d'accéder au bus. Leur action se limite à l'acquittement des messages reçus ou à la transmission de messages sur demande du maître. Architecture de communication Profibus répond à des normes internationales. Son architecture repose sur 3 couches du modèle OSI. La couche physique, décrit les caractéristiques physiques de la transmission; la couche liaison de données, spécifie les règles d'accès au bus; enfin, la couche application, définit les mécanismes communs utiles aux applications réparties et la signification des informations échangées (figure 3). Profibus-DP exploite les deux couches basses 1 et 2 (les couches 3 à 7 restant indéfinies), ainsi que l'interface utilisateur. L'adaptateur DDLM (Direct Data Link Mapper) facilite l'accès de l'interface utilisateur à la couche 2. Les fonctions applicatives de l'utilisateur et le comportement des divers types d'équipement Profibus-DP (systèmes et appareils) sont précisés dans l'interface utilisateur. La transmission s'effectue sur liaison RS 485 ou fibre optique. Profibus-FMS met en oeuvre les couches 1, 2 et 7. La couche application se compose de la messagerie FMS (Fieldbus Message Specification) et de l'interface LLI (Lower Layer Interface). FMS contient le protocole de l'application et offre à l'utilisateur un choix de services de communication. LLI pilote les relations de communication entre participants du bus et assure à FMS un accès à la couche 2, indépendant de l'équipement. Celle-ci, baptisée FDL (Fieldbus Data Link), gère l'accès au bus et la sécurisation des données. A l'instar de Profibus-DP, Profibus-FMS utilise une liaison RS 485 ou fibre optique. Profibus-PA fait appel aux fonctions étendues de Profibus-DP, enrichies du protocole spécifique PA qui définit le comportement des appareils de terrain. La technique de transmission, conforme CEI 1158-2, autorise la sécurité intrinsèque et la téléalimentation des modules de terrain via le bus. Les appareils Profibus-PA s'intègrent sans peine aux réseaux Profibus-DP, grâce à un coupleur de segments. Techniques de transmission Le domaine d'application d'un réseau de terrain est en grande partie conditionné par la technique de transmission adoptée. Aux exigences générales (sécurité de transmission, longues distances ou débits élevés) s'ajoutent des critères de simplicité et d'économie qui jouent un rôle décisif dans la mise en oeuvre du réseau. De son côté, l'automatisation des procédés impose de véhiculer données et énergie sur un même câble. Pour satisfaire tous ces impératifs, Profibus propose trois variantes : La liaison RS 485 plutot destiné à Profibus-DP et FMS; la transmission CEI 1158-2 pour Profibus-PA et la fibre optique (FO). CEI 11 58-2 (Profibus-PA) La technique de transmission conforme à la norme CEI 1158-2 répond aux exigences de la chimie et de la pétrochimie. Elle garantit la sécurité intrinsèque et autorise l'alimentation des constituants de terrain sur le bus. Il s'agit d'un protocole synchrone orienté bit avec une transmission permanente sans courant. Plus connue sous l'abréviation H1, c'est la technique de transmission retenue par Profibus-PA. Elle obéit aux règles suivantes : . Chaque segment possède une seule source d'énergie, l'unité d'alimentation. . Aucune énergie ne transite sur le bus lorsque la station émet. . Chaque appareil de terrain consomme un courant de base constant, en continu. . Les appareils de terrain se comportent comme des collecteurs de courant passifs. . La terminaison de ligne passive est réalisée à chaque extrémité du câble principal du bus. . Trois topologies sont autorisées : linéaire, arborescente et en étoile. . Pour fiabiliser la transmission, la redondance des segments de bus est envisageable. En matière de modulation, on présume que chaque station du bus nécessite un courant de base d'au moins 10 mA pour alimenter l'équipement. Les signaux de transmission sont générés par l'équipement émetteur par modulation de +/-9mA du courant de base. Conseils pratiques d'installation La salle de contrôle abrite en général le système de pilotage du procédé, les appareils de conduite et de surveillance, ainsi que le coupleur de segments qui se charge de l'adaptation RS 485/CEI 1158-2 et fournit le courant nécessaire à la téléalimentation des appareils de terrain. L'unité d'alimentation limite l'intensité et la tension du segment CEI 1158-2. Profibus-PA offre des topologies arborescente et linéaire, les deux étant combinables (Cf. figure 5). La structure de la ligne permet une implantation des points de connexion sur le bus semblable à l'installation des circuits d'alimentation. Le câble peut être rebouclé via les équipements de terrain. Des branches destinées au raccordement d'un ou de plusieurs appareils de terrain sont également possibles. La topologie arborescente s'apparente à la technique classique d'installation des équipements de terrain. Le câble principal multibrin est remplacé par le câble de bus bifilaire. Le répartiteur de terrain sert toujours à raccorder les appareils de terrain et à abriter la résistance de terminaison de bus. Dans un réseau arborescent, tous les appareils raccordés au segment de bus sont câblés en parallèle dans le répartiteur. En couplant les architectures arborescente et linéaire, on optimise la longueur du bus et l'adaptation à l'existant. Les longueurs maximales admissibles des lignes de jonction sont à prendre en compte. Le support de transmission est un câble bifilaire (blindé ou non). La transmission CEI l158-2 préconise un câble de référence (Cf. table 4), mais de plus grosses sections de câble sont envisageables. Chaque extrémité du câble principal est équipée d'une terminaison de ligne passive, constituée d'un élément RC connecté en série (R=100 Ohms, C=1 microF). L'inversion des pôles sur une station raccordée ne nuit pas à la fonctionnalité du bus. Il est néanmoins recommandé de prévoir une reconnaissance automatique de polarité pour garantir le bon fonctionnement des équipements, quelle que soit l'affectation bornes d'entrée/signaux de données. Le nombre de stations raccordables à un segment est limité à 32. Ce nombre est encore réduit par la classe de protection antidéflagrante retenue et l'alimentation sur le bus. Dans le cas de réseaux à sécurité intrinsèque, la tension et l'intensité d'alimentation maximales sont définies dans des limites précises. Même pour des applications sans sécurité intrinsèque, la puissance de l'unité de téléalimentation est limitée. Pour déterminer de façon empirique la longueur maximale de la ligne, il faut calculer les exigences en courant, choisir l'alimentation (Cf, table 5), puis la longueur de ligne correspondant au choix du câble (table 6). L'intensité nécessaire est donnée par la somme des courants de base de chaque équipement de terrain, de la miniconsole opérateur, du coupleur au maître du bus, des répéteurs utilisés et du courant de seuil destiné à l'équipement de déconnexion sur défaut (Fault Disconnect Equipment). On peut calculer ce courant, pour chaque appareil raccordé au bus, en prenant la différence entre le courant maximal en cas de défaut et le courant de service. L'équipement présentant le plus fort courant de seuil a la préférence. Alimentation externe Le raccordement d'équipements alimentés par le bus et d'équipements alimentés par une source externe, sur un bus à sécurité intrinsèque, est autorisé si ces derniers offrent un isolement de qualité, conforme à la norme EN 50 020. Gestion d'accès à Profibus Les trois versions de Profibus (DP, FMS et PA) mettent en oeuvre un protocole d'accès uniformisé, géré par la couche 2 du modèle OSI (FDL sous Profibus), qui se charge également de la sécurisation des données et de la gestion des protocoles et des télégrammes de transmission. La gestion d'accès est assurée par la sous-couche MAC (Medium Access Control), qui veille au partage du canal de communication en garantissant qu'une seule station a le droit d'émettre à un instant donné. Profibus répond à deux exigences fondamentales de la gestion d'accès MAC : . Assurer que tout maître connecté au réseau dispose d'assez de temps pour effectuer sa tâche de communication dans le délai imparti. . Assurer une transmission cyclique, temps réel et offrant des garanties de simplicité et de rapidité maximales, entre un maître et ses esclaves. Pour y parvenir, la méthode d'accès à Profibus est de nature hybride (Cf. figure 6) : la communication intermaître repose sur la méthode du jeton, tandis que les échanges entre maîtres et esclaves s'effectuent sur le mode maître-esclave. La méthode du jeton garantit l'accès de chaque maître au bus, au moins une fois dans un temps donné. En clair, cela signifie que le jeton, télégramme spécial véhiculant un droit de parole de maître en maître, doit être transmis à chaque maître au moins une fois dans une fenêtre temporelle paramétrée. La méthode maître-esclave permet au maître détenant le jeton d'accéder à ses esclaves pour leur envoyer des messages ou, à l'inverse, lire leurs messages. Cette gestion d'accès permet de réaliser : . une configuration maître-esclave pure, . une configuration maître-maître pure (jeton), . une configuration hybride. La figure 6 représente une solution hybride, constituée de trois maîtres formant un anneau logique et de sept esclaves. Dès qu'un maître s'empare du jeton, il devient détenteur du bus pour une période donnée, durant laquelle il peut dialoguer à la fois avec tous les esclaves, en mode maître-esclave, et l'ensemble des maîtres, en mode maître-maître. On entend par anneau à jeton le chaînage de maîtres formant, par leur adresse de station, un anneau logique, au sein duquel chaque participant passe à son voisin, dans un ordre défini (adresses croissantes), le jeton lui donnant le droit d'émettre ou de passer son tour. Au démarrage du réseau, la sous-couche MAC se charge de déceler les relations logiques entre stations et de constituer l'anneau. En cours d'exploitation, elle élimine du réseau les stations actives défaillantes ou arrêtées, et intègre les nouvelles. En outre, elle s'assure que le jeton circule bien d'un maître à l'autre (adresses croissantes). Précisons que le temps de parole d'un maître dépend du temps maximal du tour d'anneau. Autres fonctions essentielles, la MAC détecte les défauts du support de transmission et du récepteur de ligne, ainsi que les erreurs d'adressage (multiple affectation) ou de passage de jeton (multiple possession ou perte du jeton). La couche 2 de Profibus fonctionne en mode non connecté. La transmission s'effectue d'égal à égal (procédure équilibrée), en mode diffusion générale et diffusion sélective (Cf. figure 21) : . Dans le mode diffusion générale, une station active envoie un message non acquitté à toutes les autres stations, actives ou passives. . Dans le mode diffusion sélective, une station active envoie un message non acquitté à un groupe prédéfini de stations, actives ou passives. Profibus-FMS, DP et PA utilisent un sous-ensemble des services de la couche 2 (Cf. table 7), qui sont appelés par les couches supérieures au moyen de points d'accès au service (Service Access Point) de la couche 2. Dans Profibus-FMS, ces SAP servent à adresser les relations de communication logiques ; dans Profibus-DP et PA, chaque SAP remplit une fonction bien définie. Plusieurs SAP peuvent être utilisés en même temps pour toutes les stations actives et passives. Précisons que l'on distingue des SAP sources (Source SAP) et des SAP cibles (Destination SAP). Profibus-PA Profibus-PA s'érige en alternative au monde analogique du 4-20 mA (Cf. figure 14). Les travaux de câblage entre le terrain et le multiplexeur sont sensiblement les mêmes pour les deux solutions. Toutefois, si les points de mesure sont très dispersés, la comparaison joue nettement en faveur de Profibus-PA. En effet, dans un câblage traditionnel fil à fil, chaque ligne de signal doit être raccordée au module d'E/S du système de contrôle-commande. A cela s'ajoute l'obligation d'une alimentation indépendante pour chaque équipement (voire d'une alimentation destinée aux zones explosibles). En revanche, avec Profibus-PA, il suffit de deux fils pour véhiculer à la fois toute l'information et l'énergie nécessaire aux appareils de terrain. D'où une économie de câblage et une réduction du nombre de modules d'E/S du système de contrôle-commande. Le bus est alimenté par une seule source à sécurité intrinsèque. Profibus-PA permet la mesure, la commande et la régulation sur une simple ligne bifilaire, sans oublier la téléalimentation des constituants de terrain, même dans des zones à sécurité intrinsèque. Il autorise également la maintenance et la connexion/déconnexion des équipements en exploitation, sans perturber les autres stations du bus, même en atmosphère explosible. Né d'une collaboration avec des utilisateurs de l'industrie de process, Profibus-PA tient de particularités du monde du process à savoir : . Mise en oeuvre de profils applicatifs dédiés automatismes de process et interchangeabilité des équipements de terrain hétérogènes. . Ajout et retrait de stations du bus (même dans des zones à sécurité intrinsèque) sans influencer l'échange de données entre les autres stations. . Communication transparente grâce à des coupleurs de segments entre Profibus-PA (continu) et Profibus-DP (manufacturier). . Téléalimentation et transmission des données sur une même paire de fils selon CEI 1158-2. . Utilisation en atmosphère explosible avec une protection de type à sécurité intrinsèque ou sans sécurité intrinsèque. Protocole de transmission Profibus-PA reprend les fonctions de base de Profibus-DP pour la transmission des valeurs de mesure et des informations d'état, et ses fonctions étendues (Cf. ¤3.2) pour le paramétrage et l'exploitation des appareils de terrain. La transmission s'effectue sur deux fils, selon CEI 1158-2. L'interface entre l'accès au bus (couche 2) et la transmission CEI 1158-2 (couche 1) fait l'objet de la partie 4 de la norme DIN 19 245. Profil d'équipement Le profil Profibus-PA assure l'interchangeabilité et l'interopérabilité de constituants de terrain hétérogènes. Partie intégrante de Profibus-PA, il a pour mission de sélectionner les fonctions de communication réellement exigées par les divers types d'appareils de terrain et de fournir toutes les spécifications nécessaires aux fonctions et au comportement de ces équipements. Le profil PA se compose d'exigences générales contenant des spécifications applicables à tous les types d'appareils et de fiches techniques d'équipement renfermant des informations de configuration destinées à chaque type d'appareil. Les profils utilisent le modèle de bloc fonctionnel de la figure 16, conforme à la normalisation internationale. A l'heure actuelle, il existe des fiches techniques pour tous les transmetteurs courants et autres types d'appareil tels que : . Capteurs de pression, niveau, température et débit, . Entrées et sorties TOR, . Entrées et sorties analogiques, . Vannes, . Positionneurs Le comportement de l'équipement est décrit en spécifiant des variables normalisées pour chaque transmetteur de mesure particulier. La figure 17 illustre le principe d'un transmetteur de pression décrit avec le bloc fonctionnel entrée analogique (AI). Chaque équipement doit offrir les paramètres spécifiés dans les profils Profibus-PA (table 10) : Certification La norme Profibus EN 50 170 définit les principes et règles de dialogue entre constituants d'un réseau. L'association Profibus a mis au point une procédure de certification qui débouche sur la délivrance d'un certificat, fondé sur un compte-rendu d'essais effectués par des laboratoires accrédités. Lorsqu'un équipement reçoit cette habilitation, il est intégré au dossier d'interopérabilité du laboratoire de façon à garantir son fonctionnement avec les autres équipements testés par la suite. La certification a pour objet de garantir à l'utilisateur que des équipements multi-constructeurs fonctionneront parfaitement au sein d'un même réseau. Elle s'obtient après avoir soumis l'équipement à une vaste batterie de tests en laboratoire, qui visent à déceler et à corriger, avant son utilisation en situation réelle, les erreurs d'interprétation de la norme qui ont pu être commises en phase de développement.