{"id":34795,"date":"2019-10-31T22:00:25","date_gmt":"2019-10-31T19:00:25","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet\/"},"modified":"2019-10-31T22:00:25","modified_gmt":"2019-10-31T19:00:25","slug":"shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/fr\/blog\/news\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","title":{"rendered":"Bus et protocoles dans l'automatisation industrielle : comment tout cela fonctionne","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

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\nIl est fort probable que beaucoup d'entre vous connaissent ou ont m\u00eame vu comment de grands objets automatis\u00e9s, tels qu'une centrale nucl\u00e9aire ou une usine avec de nombreuses lignes technologiques, sont g\u00e9r\u00e9s : l'action principale se d\u00e9roule souvent dans une grande salle, remplie d'\u00e9crans, de lumi\u00e8res et de panneaux de contr\u00f4le. Cet ensemble de gestion est g\u00e9n\u00e9ralement appel\u00e9 G\u0421U \u2014 le tableau de contr\u00f4le principal pour superviser l'objet de production. <\/p>\n

Il est certain que vous vous \u00eates d\u00e9j\u00e0 demand\u00e9 comment tout cela fonctionne du point de vue mat\u00e9riel et logiciel, et en quoi ces syst\u00e8mes diff\u00e8rent des ordinateurs personnels ordinaires. Dans cet article, nous allons examiner comment diverses donn\u00e9es arrivent au G\u0421U, comment les commandes sont transmises \u00e0 l'\u00e9quipement, et ce qui est n\u00e9cessaire pour g\u00e9rer une station de compression, une installation de production de propane, une ligne d'assemblage automobile ou m\u00eame une station de pompage des eaux us\u00e9es.
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Le niveau inf\u00e9rieur ou le bus de terrain \u2014 c'est l\u00e0 o\u00f9 tout commence. <\/h2>\n

\nCet ensemble de mots obscurs pour les non-initi\u00e9s est utilis\u00e9 lorsqu'il s'agit de d\u00e9crire les moyens de communication entre les microcontr\u00f4leurs et l'\u00e9quipement subordonn\u00e9, comme les modules d'entr\u00e9e-sortie ou les dispositifs de mesure. Ce canal de communication est g\u00e9n\u00e9ralement appel\u00e9 \u00ab bus de terrain \u00bb, car il est responsable de la transmission des donn\u00e9es au contr\u00f4leur, provenant du \u00ab champ \u00bb. <\/p>\n

Le \u00ab champ \u00bb est un terme professionnel profond, d\u00e9signant le fait que certains \u00e9quipements (comme des capteurs ou des actionneurs), avec lesquels le contr\u00f4leur interagit, se trouvent quelque part tr\u00e8s loin, \u00e0 l'ext\u00e9rieur, dans les champs, sous le couvert de la nuit. Peu importe qu'un capteur puisse \u00eatre situ\u00e9 \u00e0 un demi-m\u00e8tre du contr\u00f4leur et mesurer, par exemple, la temp\u00e9rature dans un tableau de commande, il est toujours consid\u00e9r\u00e9 comme \u00e9tant \u00ab sur le terrain \u00bb. Le plus souvent, les signaux des capteurs, arrivant aux modules d'entr\u00e9e-sortie, parcourent quand m\u00eame des distances allant de plusieurs dizaines \u00e0 plusieurs centaines de m\u00e8tres (et parfois m\u00eame plus), collectant des informations \u00e0 partir de sites ou d'\u00e9quipements \u00e9loign\u00e9s. C'est pourquoi le bus d'\u00e9change, par lequel le contr\u00f4leur obtient les valeurs de ces capteurs, est souvent appel\u00e9 bus de terrain, ou plus rarement bus de niveau inf\u00e9rieur ou bus industriel.<\/p>\n

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\nSch\u00e9ma g\u00e9n\u00e9ral d'automatisation d'un objet industriel.<\/i> <\/p>\n

Ainsi, le signal \u00e9lectrique du capteur parcourt une certaine distance \u00e0 travers les c\u00e2bles (souvent en utilisant des c\u00e2bles en cuivre ordinaires avec un certain nombre de fils), auxquels sont connect\u00e9s plusieurs capteurs. Ensuite, le signal arrive dans le module de traitement (module d'entr\u00e9e-sortie), o\u00f9 il est converti en un langage num\u00e9rique compr\u00e9hensible par le contr\u00f4leur. Ensuite, ce signal est transmis directement au contr\u00f4leur via le bus de terrain, o\u00f9 il est finalement trait\u00e9. La logique de fonctionnement du microcontr\u00f4leur est ainsi construite sur la base de ces signaux.<\/p>\n

Niveau sup\u00e9rieur : d'une guirlande \u00e0 une station de travail compl\u00e8te<\/h2>\n

\nLe niveau sup\u00e9rieur d\u00e9signe tout ce \u00e0 quoi peut acc\u00e9der un op\u00e9rateur ordinaire responsable du processus technologique. Dans sa forme la plus simple, le niveau sup\u00e9rieur se compose d'un ensemble de lumi\u00e8res et de boutons. Les lumi\u00e8res signalent \u00e0 l'op\u00e9rateur certains \u00e9v\u00e9nements se produisant dans le syst\u00e8me, tandis que les boutons servent \u00e0 envoyer des commandes au contr\u00f4leur. Ce type de syst\u00e8me est souvent appel\u00e9 \u00ab guirlande \u00bb ou \u00ab sapin \u00bb, car il ressemble beaucoup \u00e0 cela (comme on peut le constater sur la photo en d\u00e9but d'article).<\/p>\n

Si l'op\u00e9rateur a plus de chance, il aura \u00e0 sa disposition un panneau op\u00e9rateur : un certain type d'ordinateur \u00e0 \u00e9cran plat qui re\u00e7oit d'une mani\u00e8re ou d'une autre des donn\u00e9es pour affichage du contr\u00f4leur et les affiche \u00e0 l'\u00e9cran. Ce panneau est g\u00e9n\u00e9ralement mont\u00e9 sur le cadre de l'automatisation, par cons\u00e9quent, l'interaction se fait g\u00e9n\u00e9ralement en position debout, ce qui est inconfortable, de plus, la qualit\u00e9 et la taille de l'image sur les petits panneaux laissent \u00e0 d\u00e9sirer.<\/p>\n

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\nEnfin, l'attraction de la g\u00e9n\u00e9rosit\u00e9 sans pr\u00e9c\u00e9dent \u2014 la station de travail (ou m\u00eame plusieurs doublons), repr\u00e9sent\u00e9e par un ordinateur personnel ordinaire.<\/p>\n

L'\u00e9quipement de niveau sup\u00e9rieur doit interagir d'une certaine mani\u00e8re avec le microcontr\u00f4leur (sinon, \u00e0 quoi bon ?). Pour cette interaction, des protocoles de niveau sup\u00e9rieur et un certain moyen de transmission sont utilis\u00e9s, par exemple, Ethernet ou UART. Dans le cas de la \u00ab guirlande \u00bb, de tels raffinements ne sont bien s\u00fbr pas n\u00e9cessaires, les lumi\u00e8res s'allument en utilisant des lignes physiques ordinaires, sans interfaces ou protocoles complexes.<\/p>\n

En somme, ce niveau sup\u00e9rieur est moins int\u00e9ressant que le bus de terrain, car ce niveau sup\u00e9rieur peut m\u00eame ne pas exister du tout (de la s\u00e9rie il n'y a rien \u00e0 voir pour l'op\u00e9rateur, le contr\u00f4leur se d\u00e9brouillera tout seul pour savoir quoi faire).<\/p>\n

Protocoles de transmission de donn\u00e9es \u00ab anciens \u00bb : Modbus et HART<\/h2>\n

\nPeu de gens le savent, mais au septi\u00e8me jour de la cr\u00e9ation du monde, Dieu ne se reposait pas, il cr\u00e9ait Modbus. Avec le protocole HART, Modbus est sans doute le protocole industriel de transmission de donn\u00e9es le plus ancien, apparaissant d\u00e9j\u00e0 en 1979.<\/p>\n

Initialement, un interface s\u00e9rie a \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9 comme milieu de transmission, puis Modbus a \u00e9t\u00e9 impl\u00e9ment\u00e9 au-dessus de TCP\/IP. C'est un protocole synchronis\u00e9 selon le sch\u00e9ma \u00ab ma\u00eetre-esclave \u00bb, utilisant le principe \u00ab demande-r\u00e9ponse \u00bb. Le protocole est assez lourd et lent, la vitesse d'\u00e9change d\u00e9pend des caract\u00e9ristiques du r\u00e9cepteur et de l'\u00e9metteur, mais g\u00e9n\u00e9ralement, on parle de centaines de millisecondes, surtout dans les impl\u00e9mentations via l'interface s\u00e9rie. <\/p>\n

De plus, le registre de transmission des donn\u00e9es Modbus est 16 bits, ce qui impose imm\u00e9diatement des limitations sur la transmission des types real et double. Ils sont transmis soit par morceaux, soit avec une perte de pr\u00e9cision. Bien que Modbus soit encore largement utilis\u00e9 dans des cas o\u00f9 une haute vitesse d'\u00e9change n'est pas n\u00e9cessaire et o\u00f9 la perte de donn\u00e9es transmises n'est pas critique. De nombreux fabricants de diff\u00e9rents appareils aiment \u00e9tendre le protocole Modbus de mani\u00e8re exclusive et tr\u00e8s originale, en ajoutant des fonctions non standard. Ce protocole a donc de nombreuses mutations et d\u00e9viations par rapport \u00e0 la norme, mais il continue n\u00e9anmoins de prosp\u00e9rer dans le monde moderne.
\nLe protocole HART existe \u00e9galement depuis les ann\u00e9es quatre-vingt, c'est un protocole industriel d'\u00e9change sur une ligne \u00e0 deux fils de boucle de courant, dans laquelle sont directement connect\u00e9s des capteurs 4-20 mA et d'autres appareils supportant le protocole HART. <\/p>\n

Pour le raccordement des lignes HART, des dispositifs sp\u00e9ciaux appel\u00e9s modems HART sont utilis\u00e9s. Il existe \u00e9galement des convertisseurs qui fournissent \u00e0 l'utilisateur un protocole Modbus par exemple en sortie. <\/p>\n

Le HART est remarquable, sans doute parce qu'il permet de transmettre, en plus des signaux analogiques des capteurs 4-20 mA, un signal num\u00e9rique du protocole lui-m\u00eame, ce qui permet de combiner la partie num\u00e9rique et analogique dans une seule ligne de c\u00e2ble. Les modems HART modernes peuvent se connecter au port USB du contr\u00f4leur, se connecter via Bluetooth, ou encore par le biais de m\u00e9thodes anciennes \u00e0 travers un port s\u00e9rie. Il y a une dizaine d'ann\u00e9es, un standard sans fil, le WirelessHART, a vu le jour, similaire au Wi-Fi, fonctionnant dans la bande ISM.<\/p>\n

Le deuxi\u00e8me groupe de protocoles ou les bus pas tout \u00e0 fait industriels ISA, PCI(e) et VME <\/h2>\n

\nDes protocoles tels que Modbus et HART ont \u00e9t\u00e9 remplac\u00e9s par des bus pas tout \u00e0 fait industriels, tels que ISA (MicroPC, PC\/104) ou PCI\/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), ainsi que par le VME. <\/p>\n

Nous sommes entr\u00e9s dans l'\u00e8re des calculateurs dot\u00e9s d'un bus de transmission de donn\u00e9es universel, auquel diverses cartes (modules) peuvent \u00eatre connect\u00e9es pour traiter un signal unifi\u00e9. En r\u00e8gle g\u00e9n\u00e9rale, dans ce cas, le module processeur (calculateur) est ins\u00e9r\u00e9 dans une soi-disant carcasse, qui assure l'interaction via le bus avec d'autres appareils. La carcasse, ou, comme aiment l'appeler les v\u00e9ritables automateurs, le \u00ab crate \u00bb, est compl\u00e9t\u00e9e par les cartes d'entr\u00e9e-sortie n\u00e9cessaires : analogiques, discr\u00e8tes, interface, etc., ou tout cela est assembl\u00e9 sous la forme d'un sandwich sans carcasse \u2014 une carte au-dessus de l'autre. Ensuite, cette diversit\u00e9 sur le bus (ISA, PCI, etc.) \u00e9change des donn\u00e9es avec le module processeur, qui obtient ainsi des informations des capteurs et r\u00e9alise une certaine logique.<\/p>\n

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\nContr\u00f4leur et modules d'entr\u00e9e-sortie dans le ch\u00e2ssis PXI sur le bus PCI. Source : National Instruments Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

Tout va bien avec ces bus ISA, PCI(e) et VME, surtout pour l'\u00e9poque : la vitesse d'\u00e9change est satisfaisante, et les composants du syst\u00e8me sont plac\u00e9s dans un seul ch\u00e2ssis, de mani\u00e8re compacte et pratique. Le remplacement \u00e0 chaud des cartes d'entr\u00e9e-sortie n'est peut-\u00eatre pas n\u00e9cessaire, mais pour l'instant, cela ne d\u00e9range pas encore. <\/p>\n

Mais il y a un b\u00e9mol, et pas un seul. Construire un syst\u00e8me distribu\u00e9 dans une telle configuration est assez difficile, le bus de communication est local, il faut trouver un moyen d'\u00e9changer des donn\u00e9es avec d'autres n\u0153uds subordonn\u00e9s ou \u00e9gaux, par exemple Modbus sur TCP\\\/IP ou un autre protocole, bref, les commodit\u00e9s sont rares. Et la deuxi\u00e8me chose d\u00e9sagr\u00e9able : les cartes d'entr\u00e9e-sortie attendent g\u00e9n\u00e9ralement un signal unifi\u00e9 en entr\u00e9e, et elles n'ont pas d'isolation galvanique avec le mat\u00e9riel de terrain, il faut donc cr\u00e9er un enchev\u00eatrement de diff\u00e9rents modules de conversion et de circuits interm\u00e9diaires, ce qui complique fortement la base \u00e9l\u00e9mentaire.<\/p>\n

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\nModules interm\u00e9diaires pour la conversion de signal avec isolation galvanique. Source : DataForth Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

\u00ab Et qu'en est-il du protocole d'\u00e9change sur le bus industriel ? \u00bb \u2014 allez-vous demander. Eh bien, il n'y en a pas. Dans cette r\u00e9alisation, le signal passe des capteurs aux convertisseurs \u00e0 travers les lignes de c\u00e2bles, les convertisseurs d\u00e9livrent une tension \u00e0 la carte d'entr\u00e9e-sortie discr\u00e8te ou analogique, et les donn\u00e9es de la carte sont ensuite lues via les ports d'entr\u00e9e\\\/sortie, par le biais du syst\u00e8me d'exploitation. Et pas de protocoles sp\u00e9cialis\u00e9s.<\/p>\n

Comment fonctionnent les bus industriels modernes et les protocoles<\/h2>\n

\nEt maintenant ? \u00c0 ce jour, l'id\u00e9ologie classique de construction des syst\u00e8mes automatis\u00e9s a l\u00e9g\u00e8rement \u00e9volu\u00e9. De nombreux facteurs ont jou\u00e9 un r\u00f4le, allant du fait qu'il doit \u00e9galement \u00eatre pratique d'automatiser, jusqu'\u00e0 la tendance vers des syst\u00e8mes automatis\u00e9s distribu\u00e9s avec des n\u0153uds \u00e9loign\u00e9s les uns des autres.<\/p>\n

On peut dire qu'il existe aujourd'hui deux concepts principaux pour la construction de syst\u00e8mes d'automatisation : les syst\u00e8mes automatis\u00e9s localis\u00e9s et les syst\u00e8mes automatis\u00e9s distribu\u00e9s.<\/p>\n

Dans le cas des syst\u00e8mes localis\u00e9s, o\u00f9 la collecte de donn\u00e9es et la gestion sont centralis\u00e9es \u00e0 un endroit sp\u00e9cifique, la conception d'un ensemble de modules d'entr\u00e9e-sortie interconnect\u00e9s par un bus rapide commun est en forte demande, y compris un contr\u00f4leur avec son propre protocole d'\u00e9change. En g\u00e9n\u00e9ral, les modules d'entr\u00e9e-sortie comprennent \u00e9galement un convertisseur de signal et une isolation galvanique (bien que ce ne soit pas toujours le cas). Cela signifie que l'utilisateur final doit seulement comprendre quels types de capteurs et de m\u00e9canismes seront pr\u00e9sents dans le syst\u00e8me automatis\u00e9, calculer le nombre n\u00e9cessaire de modules d'entr\u00e9e-sortie pour diff\u00e9rents types de signaux et les connecter en une seule ligne avec le contr\u00f4leur. Dans ce cas, chaque fabricant utilise g\u00e9n\u00e9ralement son protocole d'\u00e9change pr\u00e9f\u00e9r\u00e9 entre les modules d'entr\u00e9e-sortie et le contr\u00f4leur, et les options peuvent \u00eatre nombreuses.<\/p>\n

Dans le cas des syst\u00e8mes distribu\u00e9s, tout ce qui a \u00e9t\u00e9 dit concernant les syst\u00e8mes localis\u00e9s reste valable, \u00e0 une exception pr\u00e8s : il est important que les composants s\u00e9par\u00e9s, par exemple, un ensemble de modules d'entr\u00e9e-sortie plus un appareil de collecte et de transmission d'informations \u2014 un microcontr\u00f4leur peu intelligent, qui est plac\u00e9 quelque part dans une cabine sur le terrain, \u00e0 c\u00f4t\u00e9 d'une vanne qui bloque le p\u00e9trole \u2014 puissent interagir avec d'autres n\u0153uds similaires et avec le contr\u00f4leur principal sur de longues distances avec une efficacit\u00e9 d'\u00e9change \u00e9lev\u00e9e. <\/p>\n

Comment les d\u00e9veloppeurs choisissent-ils le protocole pour leur projet ? Tous les protocoles d'\u00e9change modernes offrent des performances assez \u00e9lev\u00e9es, donc souvent le choix d'un fabricant particulier n'est pas dict\u00e9 par la vitesse d'\u00e9change sur ce bus industriel. La mise en \u0153uvre du protocole lui-m\u00eame n'est pas non plus si importante, car du point de vue du d\u00e9veloppeur du syst\u00e8me, cela reste une bo\u00eete noire qui assure une certaine structure d'\u00e9change interne et n'est pas destin\u00e9e \u00e0 une intervention ext\u00e9rieure. On pr\u00eate plus souvent attention aux caract\u00e9ristiques pratiques : la performance de calcul, la facilit\u00e9 d'application du concept du fabricant \u00e0 la t\u00e2che donn\u00e9e, la disponibilit\u00e9 des types de modules d'entr\u00e9e-sortie n\u00e9cessaires, la possibilit\u00e9 de remplacement \u00e0 chaud des modules sans interruption du bus, etc.<\/p>\n

Les principaux fournisseurs d'\u00e9quipement proposent leurs propres mises en \u0153uvre de protocoles industriels : par exemple, la c\u00e9l\u00e8bre entreprise Siemens d\u00e9veloppe sa s\u00e9rie de protocoles Profinet et Profibus, l'entreprise B&R - le protocole Powerlink, Rockwell Automation - le protocole EtherNet\/IP. Une solution nationale dans cette liste d'exemples : la version du protocole FBUS de la soci\u00e9t\u00e9 russe Fastwel. <\/p>\n

Il existe \u00e9galement des solutions plus universelles, qui ne sont pas li\u00e9es \u00e0 un fabricant sp\u00e9cifique, telles que l'EtherCAT et le CAN. Nous examinerons ces protocoles en d\u00e9tail dans la suite de l'article et d\u00e9terminerons lesquels conviennent le mieux aux applications sp\u00e9cifiques : l'industrie automobile et a\u00e9rospatiale, la production \u00e9lectronique, les syst\u00e8mes de positionnement et la robotique. Restez connect\u00e9s !
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Source : habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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