Les réseaux de terrain

par Luis Ruiz, DI-LIT

Table des matières

  1. Introduction
  2. Applications au niveau 0
  3. Pourquoi un réseau au niveau 0?
  4. Les réseaux existants
  5. Les Réseaux de Terrain à L'EPFL Conclusion

Introduction

Figure 1: Hiérarchie des communications industrielles. Liaisons directes avec le processus

Dans l'usine, automatisée ou non, la communication intervient à tous les niveaux. Elle peut se faire oralement, par transmission de documents, ou par dialogue entre équipements informatiques. Le plus souvent, on trouve un panachage de ces différentes techniques. L'objectif des réseaux est d'assurer un transport fiable des informations de n'importe quel équipement informatique à n'importe quel autre sans que l'utilisateur n'ait à se soucier du chemin suivi, de la conversion des formats ou du type d'interlocuteur. Les réseaux doivent aussi assurer un fonctionnement entre des entités provenant de plusieurs constructeurs.

Cherchons tout d'abord à cerner les besoins en communication dans l'entreprise. Nous nous limiterons à l'activité de production. La figure 1, nous donne un aperçu des différents types de communication existants dans l'entreprise.

Au plus haut niveau (niveau 2), on trouve les activités de gestion des stocks, de planification de la production et les bureaux d'étude. Ces services travaillent dans un environnement de style bureautique avec ordinateurs centraux, stations de travail, terminaux, serveurs de fichiers et d'impression. Le trafic est très variable avec des salves momentanées mais les temps de réponse sont sans importance, si ce n'est pour le confort des utilisateurs. En effet, une information en provenance d'une banque de données ne perd aucune signification si elle subit un retard alors que l'on verra que ce n'est pas le cas pour une alarme envoyée par un contrôleur de processus. On peut aussi tolérer un échec de transmission en comptant sur la réaction de l'utilisateur qui réitérera sa demande. Par contre, une information erronée est intolérable.

A ce niveau, les besoins en communication sont plus ou moins bien couverts par des réseaux tels que: DECNET, TCP/IP, SNA ou TOP (Technical and Office Protocol).

Le niveau suivant (niveau 1) s'occupe de la conduite de la production. Les ordres de fabrication et les programmes sont envoyés aux automates programmables, contrôleurs de processus, commandes numériques et autres automatismes dits réflexes. En retour, ces équipements transmettent l'état d'avancement des ordres, l'état du processus et, parfois, des alarmes reflétant des situations anormales. Ces dernières nécessitent une réaction rapide et peuvent perdre tout intérêt ou signification, si elles ne sont pas transmises dans un délai donné. Que faire, par exemple, de l'alarme de surchauffe d'une cuve de réaction chimique si elle parvient à l'opérateur après l'alarme de divergence du même réacteur? Cet exemple montre que l'information doit non seulement être transmise dans un délai acceptable, mais encore ne pas être perdue en chemin.

Les salves d'information présentes au plus haut niveau se retrouvent au niveau conduite, notamment lors du chargement des programmes. Néanmoins, le trafic est globalement plus constant et surtout plus prévisible. On trouve à ce niveau des réseaux tels que MAP (Manufacturing Automation Protocol) intégrant une messagerie industrielle MMS. (voir article «Des réseaux à tout faire (ou presque)» dans ce numéro).

Au plus bas niveau (niveau 0), se font les liaisons entre capteurs et actionneurs répartis dans le processus à commander et les automatismes primaires ou réflexes. Ces liaisons se matérialisent d'ordinaire par une paire de fils par capteur ou actionneur. Il est néanmoins possible de remplacer ces liaisons directes par un réseau appelé réseau de niveau 0 (figure 2), de capteurs et d'actionneurs, de terrain ou fieldbus selon l'appellation anglo-saxonne.

Figure 2: Liaisons avec le processus par un réseau de terrain

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Applications au niveau 0

La fonction première du niveau 0 est d'assurer une production donnée sous contraintes ou objectifs définis. Pour ce faire, les unités à ce niveau doivent établir un diagnostic, se faire une image, du processus ou de la partie du processus sous leur contrôle. Le mot diagnostic signifie ici que les unités doivent déterminer dans quel état est la part du système sous leur contrôle, et quelle est l'évolution de cet état.

En fonction de ce diagnostic, les unités vont agir sur les unités sous leur contrôle (les actionneurs) de manière à influencer l'évolution du processus pour satisfaire l'objectif du moment.

Par exemple, si une partie du processus est le contrôle du niveau dans une cuve, les opérations que l'application réalisera seront :

  1. Diagnostic du niveau actuel de la cuve (lecture de la valeur du capteur de niveau et comparaison par rapport à un modèle).
  2. Prise de décision en fonction du niveau de la cuve. Par exemple, si la cuve a atteint le niveau désiré il faudra fermer l'alimentation en eau de la cuve.
  3. Mise à jour des décisions (mise à jour des actionneurs). Fermeture ou ouverture de l'alimentation en eau.
  4. Retour à la première opération (pas 1).

On peut voir facilement qu'on a une application qui fonctionne de façon cyclique, avec un cycle qui est imposé par le processus sous contrôle. On aura donc un cycle très court pour des processus qui nécessitent un contrôle rapide, et moins court pour d'autres processus.

Une autre politique de contrôle consiste à ne pas travailler de façon cyclique mais avec des événements. Dans ce cas là, l'entité de contrôle (automate programmable, commande numérique, etc.) ne fera plus de façon cyclique le diagnostic du processus mais elle attendra qu'un événement lui indique que le processus a évolué jusqu'à un point ou il nécessite des prises de décisions. Dans notre exemple, l'entité de contrôle attendra jusqu'à ce que le capteur de niveau lui indique que la cuve a atteint le niveau désiré, pour prendre la décision de fermer l'alimentation en eau.

L'une ou l'autre de ces politiques de contrôle peuvent être appliquées en fonction du processus à contrôler. Il peut y avoir aussi un mélange des deux solutions. L'important est de remarquer qu'en fonction de la politique de contrôle le trafic sur le réseau change radicalement. En effet, pour une application de contrôle avec la première politique, le transfert sur le réseau sera cyclique et constant. A chaque cycle, le réseau devra transporter les valeurs des capteurs vers l'entité de contrôle, et les nouvelles valeurs à assigner aux actionneurs. Le temps de cycle pour une application de contrôle est de l'ordre de quelques millisecondes. Ceci implique que le réseau doit être très efficace et sûr.

Pour une application avec une politique de contrôle événementielle, le trafic sur le réseau n'est plus cyclique, mais le réseau doit pouvoir garantir que les données correspondantes à un événement seront acheminées dans un temps donné.

Maintenant que nous avons vu les applications qui sont présentes au niveau 0 d'automatisation, il y a une question qui peut surgir : pourquoi un réseau de communication à ce niveau? Dans la section suivante, nous essayerons de répondre à cette question.

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Pourquoi un réseau au niveau 0?

L'introduction d'un réseau pour remplacer les connexions directes entre les capteurs ou les actionneurs, intelligents ou pas, et le premier niveau d'automatisme (figure 2) a de nombreux effets bénéfiques.

Pour qui a eu la curiosité d'ouvrir l'armoire de câblage d'une commande numérique ou d'un automate programmable, il ne fait pas de doute que le câblage des entrées et sorties (capteurs et actionneurs) n'est pas une mince affaire. Il est aussi évident que la localisation d'une liaison défectueuse ou mal câblée peut prendre un temps non négligeable. En fait, la réparation ou l'adjonction d'une liaison posent de tels problèmes que les installateurs prévoient 10 à 20% de paires supplémentaires dans les câbles. Au contraire, le câble du réseau est de faible diamètre, ce qui évite les trous importants préjudiciables aux qualités mécaniques des structures. La détection des coupures est comprise dans le logiciel alors qu'elle ne peut être assurée que par des câblages redondants dans les liaisons point à point classiques.

Les problèmes de câblage et d'évolution sont les raisons les plus visibles qui poussent à l'introduction d'un réseau, mais il en est d'autres telles que la modularité et la cohérence des données. En effet, si un automate programmable n'a plus d'entrées disponibles, il est nécessaire d'en ajouter un autre et donc de rajouter de nouvelles connexions voire de doubler certains capteurs ou d'assurer un échange par le niveau supérieur pour disposer de la même information sur les deux automates. Ce doublement n'est pas nécessaire avec un réseau.

Les techniques de réseaux facilitent grandement l'insertion ou la suppression d'éléments et la présence d'électronique à proximité du capteur permet d'envisager la décentralisation des tâches telles que la linéarisation, la mise à l'échelle ou le filtrage (pré-traitement de l'information).

Il ne faut pas oublier non plus que les systèmes de contrôle évolués requièrent des signaux analogiques de haute qualité (rapport signal/bruit élevé), ce que ne peuvent assurer les liaisons analogiques conventionnelles. Une bonne solution est de numériser les signaux dans les capteurs et de les transmettre en numérique via le réseau.

Finalement, les avantages susmentionnés sont aussi des arguments économiques car ils entraînent des diminutions de coûts au niveau de l'étude du câblage, de l'installation et de la maintenance. Au vu de ce catalogue d'avantages, il est légitime de se demander pourquoi les réseaux de terrain ne sont pas universellement répandus. Cela vient probablement de normes électriques rigides mais aussi de la spécificité des éléments et du trafic à ce niveau.

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Les réseaux existants

Ainsi que nous l'avons signalé précédemment, on peut se demander pourquoi les réseaux de terrain ne sont pas universellement présents dans l'industrie. Une des justifications peut être le fait que ces réseaux sont placés à des niveaux d'automatisation où l'on trouve des caractéristiques de trafic qui imposent des contraintes de temps très strictes. En effet, si nous prenons, par exemple, le domaine de la machine outil, les axes d'une machine doivent être contrôlés chaque milliseconde. Ceci implique, que le réseau doit être capable de transporter toutes les informations nécessaires au contrôle des axes, dans une milliseconde. Il y a aussi d'autres contraintes qui ont trait à la qualité de l'information ou au moment auquel les capteurs sont lus. Nous n'entrerons pas dans ces détails dans cet article. Néanmoins, le lecteur doit être conscient que les contraintes posées sur ce type de réseau, en terme de temps et de qualité de l'information sont très strictes.

Nous pouvons constater qu'il y a des limitations techniques. Néanmoins, il y a quelques solutions existantes. On trouve dans le tableau 1, quelques réseaux qui implantent des solutions dans différents domaines d'application.

Tabeau 1: Différents réseaux existants

Les domaines d'application indiqués dans le tableau 1, correspondent aux domaines pour lesquels ces réseaux sont les mieux adaptés, mais il est possible de les trouver dans d'autres domaines. Nous constatons donc qu'il existe quelques solutions plus ou moins bonnes. Alors, pourquoi ces réseaux ont-ils de la peine à s'implanter universellement? Eh bien, un des principaux problèmes est comme toujours l'argent !

En effet, une des raisons principales pour lesquelles les utilisateurs sont encore réticents à utiliser ce genre de réseaux, est que l'installation d'un réseau de ce type implique un investissement important. L'utilisateur veut donc que le réseau qu'il décide d'installer dans son entreprise, puisse couvrir tous ses besoins et durer très longtemps, mais du fait que ces réseaux sont des produits et non pas des normes acceptées par tout le monde il est difficile de trouver ces garanties.

La conséquence de tout cela, est que des instances internationales ont décidé il y a quelques années, de trouver une solution universelle et de définir LE réseau de terrain. Une norme internationale est donc en cours de définition. Malheureusement, le réseau qui intègre des solutions pour tous les domaines d'application possibles tarde à venir, et les utilisateurs commencent à désespérer. Ceci est dû, en partie au fait que les solutions techniques ne sont pas évidentes, et en partie au fait que les instances internationales qui définissent la norme sont composées de représentants de chacun des produits existants qui tentent d'imposer leur réseau comme norme.

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Les Réseaux de Terrain à L'EPFL

Le Laboratoire d'Informatique Technique, travaille dans le domaine des réseaux de terrain depuis 1985. Durant ces années, nous avons produit deux prototypes de réseaux de terrain appelés PHOEBUS et PHOEBUS IIx. Ces réseaux, sont destinés au domaine de la machine outil. Dans ce domaine on trouve des contraintes particulières qui rendent encore plus difficile l'intégration des réseaux. Nous avons aussi réalisé des implantations de plusieurs normes nationales de réseaux de terrain. Nous participons actuellement à plusieurs projets de recherche au niveau national et international. Au niveau international, nous avons participé (et participons) à plusieurs projets européens (ESPRIT) dans le domaine des réseaux de terrain. Au niveau national, nous avons plusieurs projets de recherche en collaboration avec d'autres institutions.

Nos principaux domaines de recherche dans les réseaux de terrain sont la modélisation, la répartition, la définition de nouvelles architectures et la tolérance aux pannes.

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Conclusion

Dans la hiérarchie des communications de l'entreprise, au niveau le plus bas, on trouve des réseaux de communication appelés réseaux de terrain. Bien qu'ils soient des réseaux téléinformatiques à part entière, l'intégration de nouvelles contraintes font que ces réseaux doivent faire appel à des solutions nouvelles. Notamment, des contraintes de temps strictes et des critères de sécurité font que les techniques actuelles pour les réseaux classiques ne peuvent pas être appliquées à un coût acceptable. A l'heure actuelle on trouve plusieurs propositions de réseaux à ce niveau. Malheureusement, aucune d'elles n'est parfaite et n'arrive à faire le consensus au niveau international.
article paru dans le Flash informatique no 6 du 21 juin 1994