Le 05/11/2008, 09:03:33 > Rubrique Web Magazine > Articles

Les bus de terrain dans les technologies de process

Les protocoles Modbus, Profibus, CAN bus, Interbus et les autres systèmes de bus propriétaires ont tous le même objectif : faciliter l'échange de données et la transmission des commandes au sein de procédés et de systèmes complexes pour réduire les coûts des installations et de leur extensions. Plusieurs systèmes de bus sont utilisés dans les applications automatisées, les deux familles principales sont les bus de terrain destinés aux équipements manufacturiers d'une part, et aux process industriels d'autre part.

Les bus de terrain sont des systèmes de bus série, filaires, sans-fils ou optiques, auxquels sont connectés des capteurs tels que commutateurs, contrôleurs de niveau, actionneurs et commutateurs de proximité inductifs ou capacitifs (moteurs, afficheurs et lampes-témoins à contrôleur logique par exemple). Ils permettent l'échange rapide de données entre les modules et utilisent divers protocoles de transmission. Leur typologie est indifféremment circulaire, radiale, linéaire ou méandriforme.

Les bus de terrain d'équipement

Avec ces bus de terrain, les capteurs et actionneurs sont connectés à un contrôleur logique via des interfaces de programmation API (Application Programming Interfaces) telles que Interbus-S, CAN et DeviceNet. Ils fournissent un échange rapide de données entre les différents composants raccordés : capteurs TOR ou analogiques, actionneurs et automates. Leurs applications sont très variées et mondialement répandues.

Interbus

Interbus-S a été développé par Phoenix Contact. La topologie de ce bus de terrain est en anneau. La distance entre deux abonnés est de 400 mètres, la longueur totale max. est de 13 km et la vitesse de transmission est de 500 kbits/s ou de 2 Mbits/s. Les applications Interbus sont extrêmement larges, des automatismes d'entreprises manufacturières aux systèmes locaux (automatisation de canons à neige par exemple).

CANopen

Le Controller Area Network (CAN) a initialement été conçu pour l'industrie automobile afin de simplifier le câblage et les interconnexions des systèmes embarqués. Il est également utilisé dans la liaison des éléments de confort (radio, téléphone, GPS, climatisation...). La longueur du bus dépend de la vitesse de transmission, elle est par exemple de 100 m pour 500 kbits/s. Le principe de communication du bus CAN est celui de la diffusion d'information (data broadcasting). Chaque station connectée au réseau écoute les trames émises par les stations émettrices et décide de la réaction à appliquer : répondre ou non au message, agir ou non. Le bus CAN a largement dépassé le champ d'application automobile et s'utilise dans de très nombreuses industries.

Dans les industries automatisées et manufacturières, le système CANopen utilise le bus série CAN en conformité avec la norme ISO 11898, un protocole imposant des modes de communication standardisés. La polyvalence de ce protocole s'illustre à travers les possibilités étendues en termes de composants, d'interfaces et d'applications disponibles pour CANopen. Le Groupe Baumer propose notamment des transmetteurs de pression couches minces PDA/PDR qui communiquent via CANopen. Ces instruments ont été développés dans un premier temps pour un fabricant de pompes à béton mobiles et sont donc tout destinés aux applications embarquées sévères comme les machines agricoles ou les grues.  

Les bus de terrain industriels

HART

Dans les process industriels, le système HART (Highway Addressable Remote Transducer) développé en 1986 préfigure l'implémentation bus de terrain. Ce système, qui s'apparente plus à un protocole de communication qu'à un vrai bus de terrain, superpose un signal numérique binaire au courant 4... 20 mA. Le signal numérique est composé de deux signaux sinusoïdaux de fréquences différentes : 2,2 kHz étant égal à 0 et 1,2 kHz à 1. S'il est utilisé en tout numérique, le bus ne peut être raccordé qu'à un faible nombre d'instruments (16 maximum) ce qui exclu son emploi en régulation rapide. Il est cependant massivement utilisé en maintenance pour l'identification et le réglage de transmetteurs numériques à sortie analogique 4... 20 mA.

Profibus

Conçu en 1987, le protocole Profibus (PROcess FIeld BUS) est un bus de terrain standard non-propriétaire très répandu en Europe dans les industries de process. Par exemple, la plupart des process agroalimentaires en sont équipés. Profibus est construit autour de deux modèles d'architecture.

Le premier, le Profibus DP, est le plus employé. Il permet une communication transversale entre des équipements périphériques décentralisés et des automatismes grâce à son taux de transfert de données rapide. Sa longueur peut aller jusqu'à 1 200 m lorsqu'il est utilisé avec des câbles STP (paires torsadées blindées) ou plusieurs kilomètres avec de la fibre optique. La vitesse de transmission va de 9,6 à 12 Mbits/s.

Le second, le Profibus PA, a été développé à partir du Profibus DP. Il est particulièrement destiné à l'automatisation de process pour le contrôle des instruments de mesure. Son support physique est une paire de câbles torsadés blindés (STP) RS485. Etant donné que les installations en sécurité intrinsèque ne transmettent qu'un faible courant, le bus peut être utilisé dans les zones ATEX. L'inconvénient majeur du Profibus PA est son taux de transmission de seulement 31,25 kbits/s. Les longueurs maximum sont de 1 900 m en zone sûre et de 1 000 m en zone explosive. Profibus est le protocole le plus mis en œuvre dans le monde pour les applications manufacturières et d'automatisation.

L'offre de Baumer comprend plusieurs instruments à communication Profibus PA. Le transmetteur de température FlexTop 2231 possède une entrée configurable pour thermomètre/thermocouple (RT/RTD) à résistance. Le transmetteur de pression FlexBar 3431 est parfaitement adapté aux process agroalimentaires et pharmaceutiques. Ils sont tous deux disponibles en version ATEX et fournis avec leur carte ID contenant les paramètres de l'appareil et les outils de paramétrage compatibles Profibus.

A l'échelle mondiale, Profibus est en concurrence avec le système Fieldbus Foundation H1. Ce dernier est né de la fusion, en 1994, de l'oganisation WorldFIP et de l'ISP (Internationally engaged Systems Project). L'architecture de ce bus de terrain est différente du Profibus car basée sur des blocs de fonction et des blocs DD (Device Description). Fieldbus Foundation H1 est dédié au contrôle de procédé. Son support physique est une paire de câbles torsadés blindés qui sert également à alimenter les instruments. Sa vitesse de transmission est de 31,25 kbits/s. Ce bus de terrain est très répandu dans les installations de process chimiques, pétrochimiques et de production d'énergie, principalement aux Etats-Unis et au Moyen-Orient.

Modbus

Ce système à part a été développé en 1979 par Gould-Modicon. Il s'agit d'un système maître-esclave permettant d'interfacer des transmetteurs, des API et des actionneurs avec un PC. Hautement fiable, Modbus est considéré comme un standard industriel de fait. Il trouve ses applications typiques dans des process de petite taille (réseaux d'alarme incendie, bancs de test de pression automatisés...) et des installations légères (traitement d'eau...).

Son protocole de communication peut être soit ASCII avec 2 x 8 bits ou RTU (Remote Terminal Unit) avec 2 x 4 bits. Le mode RTU permet un débit plus élevé avec la même vitesse de transmission. Baumer a décliné en version Modbus son pressostat électronique TED (RTU/RS485) et son thermostat électronique ETTNM. On retrouve notamment ces derniers dans des centrales autonomes de production de gaz utilisant de l'air liquide.

Le protocole Modbus peut également être implémenté dans des applications plus diverses telles que la télégestion de réservoirs de stockage, les bancs d'essais de moteurs et de capteurs, la surveillance d'alimentation en énergie, etc.

Tendances actuelles et projections

Ces trois dernières années ont vu l'émergence dans les procédés industriels de solutions bus basées sur le protocole TCP/IP. Par la combinaison de taux de transmission de données élevés et de fonctions industrielles IT, le Profibus est devenu un protocole standard pour l'Ethernet industriel dans l'ingénierie d'automatisation. Le Fieldbus Foundation HSE est un bus Ethernet haute-vitesse pour communications API. Rockwell Automation propose un nouveau système Ethernet/IP permettant de visualiser les informations de contrôle n'importe où et n'importe quand à partir d'un navigateur Web standard. En outre, un large éventail de matériels de transmission est aussi disponible comprenant : câbles cuivre, fibres optiques ou solutions sans-fil.

A l'avenir, de tels réseaux sont amenés à se développer davantage mais ne pourront remplacer à terme les bus de terrain traditionnels dans de nombreux process. Depuis que la sécurité doit être intégralement pilotée par des protocoles TCP/IP, la migration vers des réseaux Ethernet va vraisemblablement prendre plusieurs années. De plus, choisir le bus de terrain adéquat représentera toujours un investissement lourd et engageant sur des années. Un standard unique de bus de terrain n'est pas encore envisageable. Par conséquent, le challenge pour les fabricants de technologies de process est de pouvoir proposer des produits compatibles avec l'ensemble de ces standards différents. La tendance future sera le développement de transmetteurs modulaires capables de s'adapter rapidement aux besoins des utilisateurs.

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