BUS DE CONTRÔLE

Les « bus de contrôle » sont des réseaux de industriels de communication rapides et spécialisés qui présentent des caractéristiques déterministes et temps réel. Ils sont spécialement conçus pour les applications de contrôle exigeantes et les applications d'automatisme qui nécessitent de très courts temps de réponse. Typiquement, ces applications concernent le contrôle de mouvement, les commandes multi-axes, le contrôle de variateurs, la robotique, le comptage rapide, les machines spéciales qui requièrent des temps de réponse courts pour la lecture et l'écriture des entrées et des sorties. Ces applications concernent également les équipements interactifs qui demandent des échanges de données rapides dans le but d'obtenir une bonne synchronisation ( entre un automate programmable et le contrôleur d'un robot notamment ).

Un certain nombre de ces réseaux de contrôle sont conçus pour être embarqués dans les systèmes à contrôler ou à superviser. Les réseaux de communication dédiés aux applications de contrôle et qui fournissent les performances les plus élevées peuvent profiter de technologies telles que Fast-Ethernet, Gigabit Ethernet ou Ethernet temps réel ( RTE ), ou encore de technologies telles que la norme IEEE 1588 ou de n'importe quelle autre technique de synchronisation. Certaines des techniques utilisées implémentent les fonctionnalités temps réel dans les interfaces d'une manière logicielle tandis que d'autres les implémentent au sein même du matériel en utilisant des composants ASIC ou FPGA par exemple.

Le réseau de contrôleurs « CAN » est un réseau développé pour une utilisation embarquée dans les véhicules, et plus généralement pour n'importe quelle utilisation embarquée d'une portée relativement générale. Ce système de communication est aussi utilisé pour la mise en réseau de servo-variateurs dans des applications de contrôle d'axes par exemple, bien qu'il ne fournisse pas de capacités déterministes nativement. Les spécifications de CANopen peuvent aussi servir de base complète ou partielle pour d'autres réseaux industriels de communication, tels que DeviceNet, Ethernet Open Powerlink, SafetyBus-P ou SafetyNet-P par exemple.

Cet exposé -  partie intégrante des cours de technologie proposés par Patrice KADIONIK - est remarquablement clair et très bien illustré. Vous y trouverez la présentation du protocole, la façon avec laquelle le modèle OSI y a été implémenté, la description des trames de requêtes aussi bien que la description des trames de données, et aussi comment sont traitées les erreurs. Vous y trouverez également la description des aspects matériels, le codage du signal, les techniques de synchronisation employées et leurs limites. Le document se termine par la présentation des caractéristiques physiques du bus.

Patrice Kadionik publie aussi d'autres cours sur les concepts mis en œuvre dans les techniques de communication numérique.

Ce document présente un exemple d'implémentation du bus CAN communiquant avec différents équipements : une carte PowerPC 403 avec une carte contrôleur dédiée à cette technologie, un PC avec une autre carte de contrôle CAN bus, plus quelques autres équipements divers et variés.

Il se focalise plus particulièrement sur les aspects matériels et électroniques, dans une optique de développement d'interface matériel. Si vous souhaitez développer vos propres cartes d'interfaces pour ce bus, c'est par ici qu'il faut commencer.

• Rappels sur l'historique et les utilisations du bus CAN.
• Place du bus CAN au sein des différentes couches du modèle ISO.
• Principes de fonctionnement.

  Vous y trouverez en particulier des informations sur les identifiants et sur la notion des bits dominants ou récessifs avec une description détaillée de l'arbitrage ( gestion de la priorité relative d'un message en fonction de son identifiant ).

  Vous y découvrirez également des informations sur les principes de transmission des messages, une présentation détaillée du format des trames de données, de la détection des erreurs et de leur gestion.

• Description des composants matériels de cet exemple.
• Présentation des cartes développées.
• Programmation de la carte contrôleur SJA1000-PPC, présentation des modules logiciels et des environnements de développement employés.

Cette page présente une vue synthétique très compacte qui permet d'appréhender la structure générale du système en un seul coup d'œil.

Éric DELAUNAY - http://edelaunay.chez-alice.fr

Ce diaporama présente les caractéristiques principales du bus CanOpen après en avoir listé l'historique. Vous y trouverez plus particulièrement des informations sur les différentes couches du modèle ISO qui sont implémentées.

• La couche physique : les constituants et une présentation graphique de la connectique pour différents usages.
• La couche de liaison : la structure des deux versions de trame de données, les différents types de trame et les mécanismes de sécurisation et de gestion des erreurs.
• La couche application : les concepts de base, les profils de communication, les fichiers EDS pour la description du matériel, la transmission des données de procédé et de paramétrage, les messages de service.

Vous pourrez aussi y acquérir des connaissances sur les objets de données et de service : les données de procédé ( PDO ), les données de service ( SDO ) et les données de fonctions spéciales ( SFO ).

Enfin, vous pourrez obtenir un bon aperçu sur le mécanisme des transmissions, qui s'établissent selon un mode synchrone ou asynchrone dans le respect d'une séquence cyclique ou acyclique.

Schneider Electric - http://overpof.free.fr

• Présentation du bus CAN et de ses différentes versions.

  Présentation succincte des technologies exploitées, accompagnée de la description de la structure du système selon les différentes couches du modèle OSI. En navigant dans ce dossier, vous découvrirez aussi quelques informations sur CAN FD ( vitesse de transmission variable ), sur la couche de liaison de données, sur la couche physique, et sur des protocoles de plus haut niveau qui utilisent la technologie de communication CAN Open comme base de leur système de communication.

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• Présentation de l'évolution du système à travers l'histoire des différents protocoles le constituant.

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• Spécifications CAN Open et documents techniques dont un bon nombre sont publics et téléchargeables librement, moyennant une procédure d'inscription.

www.canopen.org

« ControlNet » est un bus de contrôle déterministe et temps réel, qui fait partie de la famille de réseaux CIP basée sur le protocole éponyme ainsi que sur une architecture producteur-consommateur. Ce bus peut être mis en œuvre en utilisant plusieurs topologies ( linéaire, en étoile, arborescente ) et il offre en option des capacités de redondance et des fonctionnalités de sûreté. Il utilise l'algorithme de gestion d'accès concurrentiel et de temps partagé CDTMA pour obtenir des capacités déterministes et temps réel, dans le but de transmettre les données critiques en terme de temps.

Ce document commence par décrire les caractéristiques générales avant de présenter une vue d'ensemble technique intéressante. Il définit l'utilisation des fonctions de communications au sein d'un système de contrôle complet, il établit la liste des capacités et des performances offertes par le système plus la liste des architectures et des topologies disponibles. Puis l'article détaille les échanges de données sur le réseau, les mécanismes de synchronisation, l'empaquetage des données et la gestion de planification des transactions.

Les autres chapitres sont plus dépendants vis à vis de logiciels ou de matériels particuliers. Ils décrivent comment configurer les cartes d'interface réseau, comment configurer les entrées et les sorties, comment écrire et lire des données, comment envoyer des messages et beaucoup plus.

literature.rockwellautomation.com

Ce document d'environ 50 pages commence par une présentation technique globale. Il décrit ensuite les informations de base courantes nécessaires aux échanges de données sur un lien de communication, avant de détailler le modèle consommateur / producteur ( l'envoi de données planifiées ou non, l'envoi de données immédiates, le plan d'adressage des données … ). Finalement, il liste un ensemble de supports de communication ( câbles, connecteurs, répéteurs etc ) au travers de produits propriétaires.

www.inf.uniroma3.it

« Drivecom » est une interface de communication standard conçue pour accéder aux données des variateurs. Sa version actuelle, appelée « serveur de variateur » ( DriveServer ), est basée sur les spécifications de l'interface standard OPC. En fait, « DriveServer » agit comme une couche OPC, puisqu'elle interface la couche application comme le fait un client OPC, et qu'elle interface la couche communication comme le fait un serveur OPC. De cette façon, « DriveServer » bénéficie des avantages offerts par les technologies répandues du standard OPC, et fonctionne d'une manière très souple.

L'utilisation d'OPC permet à « DriveServer » d'être indépendant vis à vis du matériel, et le rend assez universel puisqu'il fonctionne avec n'importe quelle application client OPC et n'importe quelle application serveur OPC ( DriveServer est implémenté dans des équipements Profibus et est compatible avec les réseaux Profidrive et Profibus-DP par exemple, en servant d'interface au serveur OPC Profibus ). Pour fonctionner correctement avec n'importe quel contrôleur de variateur, « DriveServer » utilise une structure de données pour décrire les variateurs. Celle ci est appelée « description d'équipements Drivecom » ( Drivecom Device Description ), elle est basée sur le standard XML. Cette description d'équipement structure les informations liées aux fonctions et aux paramètres des variateurs à contrôler.

Le groupe des utilisateurs fait la promotion des technologies « DriveServer » et fournit toutes les spécifications dans la section « téléchargement », avec des guides techniques sur les interfaces DriveServer pour Interbus et sur les interfaces « DriveServer » pour Profibus, plus les spécifications de la description des équipements Drivecom.

• Vue d'ensemble de DriveServer.
• Spécifications et guides techniques.

[ Archives ]

Le bus de communication en temps-réel « Ethercat » ( technologie d'automatisation et de contrôle à l'aide d'Ethernet ) a été développé initialement par la société Beckhoff automation, avant d'être normalisé sous la référence IEC 61158. Cette technologie performante est basée sur les standards Ethernet, qui ont été adaptés pour fournir une technologie réseau rapide et déterministe destinée aux applications de contrôle, tout en cherchant à être une solution économique en intégrant le protocole Can Open. Elle propose une architecture flexible, elle peut être installée selon des topologies variées, et elle est compatible avec un certain nombre d'autres protocoles industriels de communication numérique.

Pour implémenter les caractéristiques déterministes et temps-réel, les concepteurs ont choisis des solutions tout à la fois logicielles et matérielles qui reposent sur la technique des horloges distribuées à référence de temps partagée et sur la compatibilité avec le protocole Sercos.

• Les équipements de terrain - les contrôleurs programmables, les interfaces d'entrées/sorties - nécessitent que les aspects temps-réel soient gérés matériellement.
• Quant aux équipements de niveau supérieurs - c'est à dire au niveau de l'atelier, de l'usine ou au delà -, ils ne requièrent aucun équipement matériel spécifique pour pouvoir dialoguer avec les stations de terrain ou entre eux. Il est toutefois à noter que dans un contexte contraignant, ces équipements bénéficieront d'être associés à du matériel mettant en œuvre matériellement les fonctions temps-réel ( commutateurs, hubs, routeurs etc ).

Caractéristiques principales

• Support des trames Ethernet standard ( EOE ), des trames Can Open ( COE ), de l'accès aux fichiers ( FOE ), des profils de servo-variateurs ( SOE ) et des profils spécifiques des vendeurs ( VOE ).

• Implémentation des protocoles Ethernet UDP et TCP.
• Architecture maître/esclave et client/serveur.
• Topologie en étoile, en ligne, arborescente ou chaînée.
• La durée du temps de cycle réseau vaut moins que 100 µs.

• Horloge distribuée avec référence de temps partagée.
• Aucun commutateur réseau spécifique n'est nécessaire dans une installation Ethercat « pure ».
• Module matériel XFC ( contrôle rapide extrême ) en option.

L'organisation Ethercat présente brièvement sa technologie. Ce document montre en quoi sa solution diffère des autres solutions de bus de terrain industriels, et en quoi consistent ses atouts.

Ce diaporama vous montrera quelles sont les caractéristiques principales de ce réseau numérique et quelles en sont les performances. Il vous présente succinctement les principes de fonctionnement et les principes de synchronisation basés sur des horloges distribuées et sur le standard IEEE 1588. Il vous apprend aussi quelles sont les relations entre le protocole Ethernet et le protocole Ethercat, et comment ce dernier est transparent vis à vis d'autres stations Ethernet non temps réel sans avoir besoin d'aucun équipement supplémentaire pour interagir avec eux.

www.ethercat.org

Le site officiel propose une présentation de la technologie, une vue d'ensemble technique ( ) et une brève description du protocole EAP ( Protocole d'Automatisation Ethercat ) ( ).

www.ethercat.org

« MACRO » est une interface numérique - développée par la société « Delta Tau Systems » - qui a été conçue pour gérer des réseaux de contrôleurs multi-axes et des réseaux d'entrées-sorties. Ce système est un protocole de communication basé sur Ethernet. IL utilise la fibre optique multi-mode FDDI comme support de transmission, ou encore une paire de fils de cuivre torsadés catégorie 5 au standard 100 Base-x. MACRO est mis en œuvre par le biais d'une topologie en anneau.

• À propos du protocole MACRO.
• Notes techniques.

[ Archives ]

MECHATROLINK est un bus de terrain qui se positionne comme un bus de contrôle d'axes. Il suffit d'un seul câble pour raccorder 30 stations dans un réseau, ce qui contribue à réduire les coûts de câblage. Ce bus n'a pas besoin de raccorder de quelconques signaux digitaux, puisque le système est entièrement numérique et communique directement avec les équipements. Par conséquent, les références de vitesse ou de couple par exemple, sont transmises sans passer par un convertisseur numérique-analogique ( CNA ) intermédiaire.

• Présentation générale du bus de contrôle Mechatrolink III ( 100 Mbps, basé sur Fast Ethernet ).
• Caractéristiques générales du bus de contrôle Mechatrolink II ( 10 Mbps ).
• Spécifications des transmissions.

www.mechatrolink.org/en/

« Ethernet Powerlink » est un bus de contrôle Ethernet rapide qui présente des caractéristiques déterministes et temps réel. Il repose à la fois sur les standards Ethernet et sur les standards Can Open auxquels ont été adjointes des fonctionnalités temps-réel, résultant en quelque sorte en un réseau CanOpen déterministe et temps réel. Le protocole se focalise sur la couche de transport, avec pour résultat un temps de cycle typique de 100 microsecondes avec des variations ( la « gigue » ou le « jitter » ) inférieures à 1 microseconde. Ce système ne nécessite aucun équipement spécifique : il est totalement indépendant du matériel.

Ce dossier présente le réseau et ses principales caractéristiques.

• Vous y apprendrez comment il fonctionne, et comment il ressemble à Ethernet et à Can Open.
• Dans la section « la technologie en détail », vous obtiendrez des informations sur les fonctionnalités et les caractéristiques principales du systèmes, telles que la topologie, l'adressage, l'insertion à chaud, le multiplexage, les données asynchrones, la redondance, le diagnostic et beaucoup d'autres.

www.br-automation.com

OpenPowerlink est une solution « Open Source » qui présente une librairie de toutes les fonctions et tous les services nécessaires pour implémenter une station maître et des stations esclaves respectant le protocole standard. La librairie est implémentée en langage C et elle respecte totalement les spécifications de la norme ANSI - l'institut de normalisation nord-américain.

Ce système ouvert exploite des cartes de contrôle Ethernet, avec des temps de cycle pouvant descendre jusqu'à 400 µs pour des cartes strictement standard, tout en garantissant une très bonne synchronisation. En utilisant des co-processeurs ou des cartes spécialisées et dédiées à la communication à travers Ethernet, « openPOWERLINK » peut même garantir des temps de cycle jusqu'à 100 µs.

A partir du site officiel, vous pourrez télécharger le code source et la documentation afférente. Vous pourrez aussi y charger un logiciel de configuration de réseau POWERLINK open source.

Si Powerlink est connu pour ses capacités de communication dans les domaines du contrôle d'axes et des asservissements rapides, il peut aussi être utilisé comme bus de terrain pour véhiculer des données ou accéder à un ensemble de capteurs.

http://openpowerlink.sourceforge.net/

• Vue d'ensemble sur les principes fondamentaux.

  Ceci est une brève vue d'ensemble de ce mécanisme de communication industrielle dédié aux systèmes de contrôle. Elle présente les principes techniques de base, la normalisation, la communication et les applications.

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• Description du système ( ).

  Ce document est un bon résumé sur la technologie et sur ses applications.

  • Dans un premier temps, il présente une courte introduction sur la normalisation, la structure et comment la sécurité a été gérée.
  • Dans un second temps, il présente le modèle de base du réseau ( les classe d'équipement, les services de communication et les services ), le modèle de paramétrage, et le modèle d'application.
  • Ensuite, il décrit brièvement les capacités de diagnostic que propose le système, ainsi que des profils additionnels tels que ProfiSafe et ProfiEnergy.
  • Enfin, il explique comment le protocole Profidrive adresse ses données avec un réseau Profibus-DP pour la périphérie décentralisée, ou avec un réseau Profinet-IO pour les entrées-sorties.

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• Profibus et Profinet. 

  Des réseaux industriels adaptés aux systèmes de contrôle d'axes.

www.profibus.com

La technologie de réseau SERCOS ( système de communication série temps réel ) repose avant tout sur son protocole déterministe et temps réel. Ses premières versions ( « Sercos I » et « Sercos II » ) ont été spécialement conçues pour interfacer des variateurs. De nos jours, la dernière version « SERCOS III » est la plus universelle. Elle a été spécifiquement développée pour être utilisée en tant que bus de contrôle d'axes.

Cette version actualisée consiste en un réseau basé sur les standards Ethernet et Ethernet-IP intégrant l'interface de communication SERCOS, le tout étant implémenté en utilisant une topologie linéaire si les fonctions de redondance ne sont pas nécessaires, ou en utilisant une topologie en anneau pour pouvoir bénéficier de la redondance. L'interface de l'ensemble du système regroupe plus de 500 paramètres, ce qui rend ce procédé suffisamment universel pour être utilisé par tous les équipements de contrôle.

Pour transmettre des télégrammes, le protocole utilise une technique de temps partagé qui s'exécute cycliquement au sein d'une architecture maître-esclave.

L'un des éléments utilisés pour gérer les communications en temps réel est la technique reconnue du bus à jeton.

Pour gérer efficacement les données, le système de communication SERCOS utilise deux canaux sur Ethernet.

• Le « canal temps réel » RTC est utilisé pour acheminer les données critiques en terme de temps.
• Le « canal de communication unifié » UCC est utilisé pour véhiculer les données Ethernet « conventionnelles », c'est à dire qui ne sont pas critiques temporellement parlant.

Pour les applications exigeant des fonctions de sûreté, cette interface de communication temps-réel intègre le protocole standard « CIP Safety ».

• Les technologies employées dans les versions de base et dans la version III.

  L'association officielle des utilisateurs fournit une vue d'ensemble sur cette technologie. Vous y trouverez des informations sur ce qui la constitue fondamentalement, en quoi consiste la dernière version « Sercos III » et quelles en sont ses caractéristiques ( en particulier quelles sont ses caractéristiques temps réel ). Vous y trouverez également une somme d'informations sur le protocole, sur la topologie, sur la synchronisation, sur la redondance et sur beaucoup d'autres choses. Pour terminer, vous découvrirez les fondamentaux sur lesquels reposent les deux premières versions.

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• Vue d'ensemble technique sur la version II. ( )

  Ce document est une introduction détaillée à la seconde version de ce système, avec la présentation de son architecture, de sa topologie, des différentes trames utilisées, de la structure des messages, des données normalisées et sur d'autres sujets encore.

Une fois enregistré, vous pourrez téléchargez différents documents sur toutes les versions du système de communication « Sercos », y compris les spécifications.

www.sercos.org

« Synqnet » était une interface de bus de contrôle industriel Fast-Ethernet 100 base-T qui était destiné aux intégrateurs OEM. Ses principales caractéristiques étaient sa vélocité, ses capacités de diagnostic et d'insertion à chaud, et des coûts faible. La couche de données a été implémentée par la société Motion Engineering, et plus de 350 000 nœuds ont été vendus. Apparemment, la diffusion de « Synqnet » s'est arrêtée en 2008, mais l'organisation « Synqnet » ( www.synqnet.org ) délivre encore une courte introduction à la technologie Synqnet ( ).

www.synqnet.com