Le terme bus de terrain est utilisé par opposition au bus informatique. En effet, le bus de terrain est en général beaucoup plus simple, du fait des faibles ressources numériques embarquées dans les capteurs et actionneurs industriels. Il est également plus robuste face aux perturbations externes.
Contexte Dans un système industriel automatisé complexe à la norme CEI 61158, le bus de terrain se situe en général à la base de la chaîne de contrôle-commande. Il relie les automates aux composants qui effectuent le travail, tels que les capteurs, les actionneurs, les moteurs électriques, les voyants de console, les interrupteurs, les vannes et les contacteurs.
Dans un système industriel tel que la chaîne de montage industrielle, le système de contrôle-commande est en général hiérarchisé avec en haut une interface homme-machine (IHM) qui permet aux opérateurs de contrôler l'état système et le commander. Celle-ci est typiquement liée à une couche intermédiaire de contrôleurs logiques programmables (PLC - en anglais) via un système de communication non temporel (par exemple Ethernet).
Description Le bus de terrain est un système de réseau industriel pour le contrôle distribué en temps réel ou contraint. C'est un moyen de connecter des instruments dans une usine de fabrication. Le bus de terrain fonctionne sur une structure de réseau qui permet généralement des topologies en guirlande, étoile, anneau, branche et arborescence. Aux débuts du contrôle-commande, les ordinateurs étaient connectés par des connexions en séries RS-232 par lesquelles seuls deux appareils pouvaient communiquer. Ce serait l'équivalent du qui exige que chaque équipement ait son propre point de communication au niveau du contrôleur, alors que le bus de terrain est l'équivalent des connexions de type réseau local (LAN), qui ne nécessite qu'un seul point de communication au niveau du contrôleur et permet à plusieurs points analogiques et numériques d'être connectés en même temps. Cela réduit à la fois la longueur de câble nécessaire et le nombre de câbles requis. De plus, étant donné que les dispositifs qui communiquent via un bus de terrain nécessitent un microprocesseur, . Certains périphériques de bus de terrain prennent en charge des schémas de contrôle tels que la régulation PID du côté de l'appareil au lieu de forcer le contrôleur à effectuer le traitement.
Historique
Le Bitbus Le plus ancien bus de terrain couramment utilisé est le Bitbus. Bitbus a été créé par Intel pour améliorer l'utilisation des systèmes Multibus dans les systèmes industriels en séparant les fonctions d'entrée-sortie lentes d'un accès mémoire plus rapide. En 1983, Intel a créé le microcontrôleur Bitbus 8044 en ajoutant un microprogramme de bus de terrain à son microcontrôleur 8051. Bitbus utilise RS-485 pour sa couche physique, avec deux paires torsadées - une pour les données et l'autre pour l'horloge et les autres signaux. L'utilisation de SDLC à la couche liaison de données permet de connecter sur un segment sur une distance totale de . Bitbus possède un nœud contrôleur et plusieurs nœuds périphériques, les périphériques ne répondant qu'aux demandes du contrôleur. Bitbus ne définit pas le routage sur la couche réseau. Le 8044 n'autorise qu'un paquet de données relativement petit (), mais intègre un ensemble efficace de tâches RAC (accès et contrôle à distance) et la possibilité de développer des tâches RAC personnalisées. En 1990, l'IEEE a adopté Bitbus en tant que bus de commande série du système de microcontrôleur IEEE-1118.
Standardisation Bien que la technologie de bus de terrain existe depuis 1988, avec l'achèvement de la norme ISA S50.02, le développement de la norme internationale a pris de nombreuses années. En 1999, le comité de normalisation de la CEI SC65C / WG6 s'est réuni pour résoudre les divergences dans le projet de norme de bus de terrain CEI. Le résultat de cette réunion était la forme initiale de la norme CEI 61158 avec huit ensembles de protocoles différents appelés comme suit : Type 1 : FOUNDATION Fieldbus H1 Type 2 : ControlNet Type 3 : PROFIBUS Type 4 : P-NET Type 5 : bus de terrain FOUNDATION HSE (High-Speed Ethernet) Type 6 : SwiftNet (un protocole développé pour Boeing, depuis retiré) Type 7 : WorldFIP Type 8 : INTERBUS-S
Cette forme de norme a d'abord été élaborée pour le marché commun européen, elle cherche moins à identifier les points communs qu'à éliminer les restrictions au commerce entre les nations. Les questions de communalité sont alors laissées aux consortiums internationaux qui prennent en charge chacun des types standards de bus de terrain. Presque dès qu'il a été approuvé, le travail d'élaboration des normes de la CEI a cessé et le comité a été dissous. Un nouveau comité de la CEI SC65C / MT-9 a été formé pour résoudre les conflits de forme et de fond dans les plus de de la CEI 61158. Le travail sur les types de protocole ci-dessus a avancé. De nouveaux protocoles, tels que les bus de terrain de sécurité ou les bus de terrain Ethernet temps réel, sont acceptés dans la définition de la norme de bus de terrain internationale pendant un cycle de maintenance typique de 5 ans. Dans la version 2008 de la norme, les types de bus de terrain sont réorganisés en familles de profils de communication (CPF) : CPF 1 : FOUNDATION Fieldbus CPF 2 : CIP CPF 3 : PROFIBUS CPF 4 : P-NET CPF 5 : WorldFIP CPF 6 : INTERBUS CPF 7 : SwiftNet (retiré) CPF 8 : CC-Link CPF 9 : HART CPF 10 : Vnet / IP CPF 11 : TCnet CPF 12 : EtherCAT CPF 13 : Ethernet Powerlink CPF 14 : EPA CPF 15 : MODBUS-RTPS CPF 16 : SERCOS
Les bus Foundation Fieldbus et Profibus sont alors couramment implémentés dans le domaine du contrôle de processus, à la fois pour les nouveaux développements et les réaménagements majeurs. En 2006, la Chine a vu les plus grandes installations de systèmes FF (Foundation Fieldbus) à NanHai et SECCO, chacune avec environ de bus de terrain connectés.
Spécification de la norme CEI 61158 Un grand nombre de technologies concurrentes existaient pour le bus de terrain, et l'espoir initial de définir un seul mécanisme de communications unifiées n'a pas été atteint. Chaque bus de terrain doit être mise en œuvre différemment dans différentes applications, le bus de terrain automobile est ainsi fonctionnellement différent du contrôle d'usine de traitement. L'édition finale de la norme IEC 61158 permet 8 technologies.
La CEI 61158 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Communications de données numériques pour la mesure et le contrôle - Bus de terrain pour utilisation dans les systèmes de commande industriels: Partie 1: Aperçu et guide pour la série CEI 61158 Partie 2: Spécification de la couche physique et définition du service Partie 3: Définition du service de liaison de données Partie 4: spécification du protocole de liaison de données Partie 5: Définition du service de couche d'application Partie 6: Spécification du protocole de couche d'application
Spécifications CEI 61784 La collection de normes de bus de terrain dans la n'est pas adaptée à la mise en pratique. Elle doit être complétée par des instructions d'utilisation. Ces notices montrent quelles parties de la peuvent être assemblées pour former un système fonctionnel. Ces directives d'assemblage ont été compilées ultérieurement sous forme de profils de bus de terrain .
Selon la CEI 61158-1., la norme CEI 61784 est divisée en plusieurs parties : CEI 61784-1 Ensembles de protocoles pour la fabrication continue et discrète relatifs à l'utilisation des bus de terrain dans les systèmes de commande industriels ; CEI 61784-2 Profils supplémentaires pour les réseaux de communication basés sur ISO/IEC 8802 3 dans les applications en temps réel ; CEI 61784-3 Bus de terrain de sécurité fonctionnelle - Règles générales et définitions de profil ; CEI 61784-3-n Bus de terrain de sécurité fonctionnelle - Spécifications additionnelles pour les ; CEI 61784-5-n Installation des bus de terrain - Profils d'installation pour les .
Spécifications CEI 62026 Les exigences des réseaux de bus de terrain pour les applications d'automatisation des processus (débitmètres, transmetteurs de pression et autres dispositifs de mesure et vannes de contrôle dans des industries telles que le traitement des hydrocarbures et la production d'énergie) sont différentes de celles des réseaux de bus de terrain que l'on trouve dans les applications de fabrication discontinues telles que la production automobile, où un grand nombre de capteurs discrets sont utilisés, notamment des capteurs de mouvement, de position, etc. Les réseaux de bus de terrain discrets sont souvent appelés « réseaux de dispositifs ».
Dès l'an 2000, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a décidé qu'un ensemble d'interfaces contrôleur-dispositif (CDI) serait spécifié par le comité technique (Appareillage de commutation et de commande à basse tension pour couvrir les réseaux de dispositifs). Cet ensemble de normes portant le numéro . comprend dans l'édition actuelle de 2019 les parties suivantes : CEI 62026-1 : Partie 1 : Règles générales ; CEI 62026-2 : Partie 2 : Interface capteur-actionneur (AS-i) ; CEI 62026-3 : Partie 3 : DeviceNet ; CEI 62026-7 : Partie 7 : CompoNet.
Les parties suivantes ont été retirées en 2006 et ne sont plus maintenues : CEI 62026-5 : Partie 5 : Système distribué intelligent (SDS) ; IEC 62026-6 : Partie 6 : Seriplex (Serial Multiplexed Control Bus).
Normes Il existe une grande variété de normes de bus de terrain concurrentes. Certains des plus largement utilisés comprennent: AS-Interface EtherCAT FOUNDATION Fieldbus Interbus LonWorks Modbus Profibus BITBUS CompoNet SafetyBUS p [en] RAPIEnet Voir Liste des protocoles d'automatisation pour plus d'exemples.
Avantage de coût La quantité de câblage requise est beaucoup plus faible dans le bus de terrain que dans les installations . En effet, de nombreux périphériques partagent le même jeu de câbles de manière multipoint plutôt que de nécessiter un jeu de câbles dédié par périphérique, comme dans le cas des périphériques . De plus, plusieurs paramètres peuvent être communiqués par appareil dans un réseau Fieldbus alors qu'un seul paramètre peut être transmis sur une connexion . le bus de terrain fournit également une bonne base pour la création d'une stratégie de maintenance prédictive et proactive. Les diagnostics disponibles à partir des périphériques de bus de terrain peuvent être utilisés pour résoudre les problèmes rencontrés avec les périphériques avant qu'ils ne deviennent critiques.
La mise en réseau À l'exception d'ARCnet, qui a été conçu dès 1975 pour la connectivité de bureau et a ensuite trouvé des applications dans l'industrie, la majorité des normes de bus de terrain ont été élaborées dans les années 1980 et s'établissent sur le marché au milieu des années 1990. Aux États-Unis, Allen-Bradley a développé des normes qui ont finalement évolué vers DeviceNet et ControlNet; en Europe, Siemens et d'autres fabricants ont développé un protocole qui a évolué en PROFIBUS.
Dans les années 1980, pour résoudre les problèmes de communication entre les différents systèmes de contrôle dans les voitures, la société allemande Robert Bosch GmbH a d'abord développé le (CAN). Le concept de CAN était que chaque appareil peut être connecté par un seul ensemble de fils, et chaque appareil connecté peut échanger librement des données avec n'importe quel autre appareil. CAN a rapidement migré sur le marché de l'automatisation industrielle.