Supervision et réseaux industriels. J.P. Chemla Polytech Tours

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1 Supervision et réseaux industriels J.P. Chemla Polytech Tours

2 Plan 1. Réseaux industriels 2. Protocole OPC 3. Fonctions d un logiciel de supervision 4. Rôles et utilisation de la supervision

3 1. Réseaux industriels 1.1 Besoins de communication : entre un automate et des E/S distantes entre un automate et des capteurs ou actionneurs intelligents entre automates avec une IHM (écran de contrôle / pilotage) entre des automates et des navigateurs web entre des automates et une supervision

4 E/S éloignées sur un bus bas niveau voir le bus AS-i sur un bloc E/S sur réseau voir un bloc E/S Canopen

5 Capteurs/actionneurs intelligents Variateur de vitesse passage de consignes lecteur RFID ou codes barre lecture et écriture d informations

6 entre automates compte-rendu d opérations, arrêts ou démarrage synchronisés

7 Terminaux de dialogue ou IHM

8 Serveurs web embarqués aux automates Automate Schneider : état de l automate Automate Wago : petite supervision

9 Les différents réseaux

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11 Différents réseaux locaux industriels 4 grandes familles SensorBus : Bus de capteurs/actionneurs Au plus près des capteurs et des actionneurs Déterministes Temps de réponse très courts, actions réflexes Exemples : As-i, Canopen DeviceBus : Bus de périphérie d automatismes Communication inter-automates Partiellement déterministes Orientés manufacturier haute vitesse Exemples : Device WorldFip (DWF), FIPWAY, Profibus DP 11

12 1.2 Le Bus AS-i Le câble de transmission transporte également l alimentation (gaine auto-cicatrisante, détrompage mécanique) Alimentation 30 V, émission du signal par impulsion de courant (60 ma) Deux versions : v1 (31 esclaves T.O.R.) v2 (62 esclaves v2 T.O.R. ou analogiques) passage de consignes

13 Gestion de capteurs et actionneurs, Système maître/esclave : les esclaves sont interrogés par scrutation cyclique. Bus déterministe au temps de réponse très court. (5 ms pour 31 esclaves)

14 Exemple d utilisation bus AS-i

15 1.3 Modbus RTU (série) Système maître/esclave : les esclaves sont interrogés par scrutation cyclique (un seul maître) Trame : adresse code fonction données CRC ou LRC de 0 à 247 de 1 à 127 dépend du code fonction contrôle d erreur exemples de fonction : 01 = read Coils (sorties relais), 05 = write single Coil 02 = read Discrete inputs 04 = read Input register (entrées analogiques)

16 Extrait d une documentation d un altivar Protocole Modbus Fonctions Modbus (variateur de vitesse) Le tableau suivant indique les fonctions Modbus gérées par l'altivar 31, et précise les limites. La définition des fonctions "lecture" et "écriture" s entend vue du maître. Code Nom des fonctions Diffusion Valeur maxi de N Nom standard Modbus (décimal) générale 3 Lecture de N mots de sortie NON 29 mots maxi Read Holding Registers 6 Ecriture d'un mot de sortie OUI Preset Single Register 16 Ecriture de N mots de sortie OUI 27 mots maxi Preset Multiple Regs 43 Identification NON Read Device Identification Lecture de N mots de sortie : fonction 3 Nota : PF = bits de poids fort, Pf = bits de poids faible. Cette fonction permet de lire tous les mots de l ATV 31, qu il s agisse de mots de sortie ou de mots d entrée. Requête N esclave Réponse N Esclave 03 N du premier mot Nombre de mots CRC16 Exemple : lecture des 4 mots W3102 à W3105 (16#0C1E à 16#0C21) de l esclave 2, à l aide de la fonction 3, avec : SFr = Fréquence de découpage = 4 khz (W3102 = 16#0028) tfr = Fréquence maximale de sortie = 60 Hz (W3103 = 16#0258) HSP = Grande vitesse = 50 Hz (W3104 = 16#01F4) LSP = Petite vitesse = 0 Hz (W3105 = 16#0000) PF Pf PF Pf Pf PF 1 octet 1 octet 2 octets 2 octets 2 octets 03 Nombre d octets lus Valeur premier mot Valeur dernier mot CRC16 PF Pf PF Pf Pf PF 1 octet 1 octet 1 octet 2 octets 2 octets 2 octets Requête C1E C Réponse F B0 Valeur de : W3102 W3103 W3104 W3105 Paramètres : SFr tfr HSP LSP

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19 1.4 Bus Can protocole Canopen Bus développé à l origine pour des systèmes embarqués (applications automobiles). Bus multi-maîtres de type producteur-consommateur. Chaque message envoyé sur le réseau est repéré par un identificateur. Plusieurs stations peuvent lire le même message. L'accès au bus repose sur un arbitrage de type CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution). CAN = controller area network CIA = Can In Automation

20 Le CAN en quelques mots Le CAN a été lancé en 1990 pour répondre aux besoins de l'industrie automobile devant la montée de l'électronique embarquée. En 2005 une voiture moyenne comportera une centaine de microcontrôleurs. Pour éviter les 2 km de câblage d'une grosse voiture actuelle, soit 100 kg de cuivre, il fallait définir un bus série simplifiant énormément l'intégration des fils dans le châssis. En pratique, il y a trois bus CAN différents dans une voiture, à des débits différents : Un bus très rapide pour gérer la sécurité (freinage, ABS, détection chocs, airbags...). Un bus à vitesse moyenne pour gérer le moteur (commandes et capteurs). Un bus lent pour gérer tous les accessoires (lampes, moteurs d' asservissements, boutons...).

21 bus CAN CAN_H équipe ment 1 équipe ment n 120Ω CAN_L CAN_GND 120Ω terminaisons de fin de ligne pour éviter les réflexions CAN_H CAN_L

22 Object Dictionnary Device Profiles Service Data Object Process Data Object Network Management CANopen Messages!"#$%&$"'(#) *+,%'"& -!"#$%&'%())*%+"#$,(-."'#/0-."&' 1%&'%())*+23!"4#5+(6%74#$,89:%5";")'4#/1"<%&" =+(6%7"43 1*'*#0-."&'3 D*)*E";")'#$:#+84"*:#FDG#/F"'H(+I#D*)*E";")G3 D"44*E"4#J>F(5") Bus CAN Interface de communication Serveur SDO Client SDO PDOs Tx PDOs Rx Management du réseau Dictionnaire d objets Mécanisme d adressage logique pour l accès aux paramètres de communication et de l équipement ainsi qu aux données et fonctions Processus applicatif Fonctionnalités de l équipement Entrées / Sorties

23 Powerlink = canopen over Ethernet Ce réseau Ethernet industriel n utilise pas les couches TCP/IP Protocole Maître/esclave

24 1.5 Norme FIP et réseau Fipway FIP : Factory Instrumentation Protocol FIP ne retient que trois couches du modèle OSI : les couches 1 (physique), 2 (liaison de données) et 7 (application). L échange des informations entre les différentes entités connectées au réseau s effectue en utilisant le modèle de communication Producteur/ Consommateur. Le mécanisme de fonctionnement de FIP repose sur le principe de diffusion de messages (ou de variables) sur le bus. Pour cela, le réseau est placé sous la responsabilité d une station dite «arbitre de bus», dont le rôle est de cadencer la circulation des variables sur le réseau.

25 Fipway : applications mots communs table partagée programmation (PL7)

26 FIPWAY API 1 Fonctionnement d une table partagée API 2 adresses API 1 API 2 MW40-60 lecture seule R/W MW R/W lecture seule

27 adresses IP et Xway PL7 Pro API commande FIPWAY {2.3} {2.1} adresses API passerelle Driver XIP n Xway {1.1} {1.x} Ethernet TCP/IP IP api IP PC

28 1.6 Profibus et Profinet Siemens en est à l origine norme européenne Maîtres -esclaves anneau à jeton entre les stations maîtres

29 Automation and Drives PROFINET Le standard Industrial Ethernet pour l Automatisation

30 Automation and Drives Communication Temps-réel et besoins pour l automatisation PROFINET technology Besoins & tendances PROFINET Communication temps-réel Temps-réel Appareils de terrain décentralisés Communication homogène et temps de réponse courts Communication Temps-réel et services IT sur un seul câble Communication temps-réel adaptative pour applications noncritiques en temps jusqu aux applications nécessitant des performances élevées Real-Time (RT) Isochronous Real-Time (IRT) Communication TCP/IP simultanée Intelligence distribuée Safety Internet Factory Automation Motion Control <100ms <10ms <1ms IT-services TCP/IP RT IRT PROFINET technology Siemens A&D 2006, Page Siemens AG Änderungen vorbehalten

31 Automation and Drives Industrial Ethernet et le temps réel dur PROFINET technology Besoins & tendances Soit certaines solutions Industrial Ethernet ne savent pas répondre à ce besoin exigeant 1ms, jitter 1µS Certaines solutions répondent à ce besoin en créant des sous réseaux industriels fermés PROFINET Communication temps-réel Appareils de terrain décentralisés Intelligence distribuée Safety Inconvénients : Système fermé Point faible en disponibilité (contrôleur) Pas d accès ouvert localement L ouverture extérieure dépend du fournisseur du contrôleur Domaine ouvert TCP/IP Ethernet Ethernet Contrôleur Internet Domaine temps réel dur PROFINET technology Siemens A&D 2006, Page Siemens AG Änderungen vorbehalten

32 Automation and Drives PROFINET technology Besoins & tendances PROFINET Communication temps-réel Temps-réel Appareils de terrain décentralisés Intelligence distribuée Safety Communication Temps-réel: Structure des télégrammes PROFINET Ethernet Standard Tag de Priorité (802.1Q): 6 classes de priorité pour les trames Ethernet Ether type selon IEEE pour les trames PROFINET tempsréel 0x0800: trame IP 0x8892: trame PROFINET temps-réel Spécifique Profinet: Allocation des données reçues via le Frame-ID Transmission Cyclique de données (données de process) Transmission événementielle (alarmes et événements) Informations Status de l appareil et des données (e.g. Run, Stop, Error) Ethernet Frame 7 Byte Sync 1 Byte Source MAC 6 Byte Dest. MAC 6 Byte Priority Tagging* 4 Byte Preambel Ethertype 2 Byte Frame ID 2 Byte Prozess data up to 1440 Byte Status Information 4 Byte FCS 4 Byte Ethernet-Standard PROFINET specific PROFINET technology * selon Q Siemens A&D 2006, Page Siemens AG Änderungen vorbehalten

33 Automation and Drives Temps-réel (RT) PROFINET technology Besoins & tendances PROFINET Communication temps-réel Temps-réel Appareils de terrain décentralisés Intelligence distribuée Safety Utilisation de composants de réseau standards, i.e. Switches Même niveau de performance que les bus de terrain actuels (comme PROFIBUS) Domaine d utilisation typique: Factory automation Performance élevée grâce à la minimisation du temps de traitement des couches réseau IT applications e.g. HTTP SNMP DHCP... PROFINET Applications Configuration Diagnostics Process-data TCP/UDP IP Real-Time Ethernet Real-Time (RT) Priority Tagging PROFINET technology Siemens A&D 2006, Page Siemens AG Änderungen vorbehalten

34 Automation and Drives Principe du Real-Time PROFINET technology Besoins & tendances PROFINET Communication temps-réel Organisation de l autoroute des données 1 voie réservée pour IRT RT via priorisation Propriétés Real-time garanties, indépendamment de la charge réseau Communication standard ouverte (TCP/IP, IT, etc.) Appareils de terrain décentralisés Intelligence distribuée IRT Sortie Safety Reservé pour IRT IRT RT RT TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP RT TCP/IP RT TCP/IP RT TCP/IP RT TCP/IP Bouchon PROFINET technology Siemens A&D 2006, Page Siemens AG Änderungen vorbehalten

35 1.7 exemples de multi-réseau

36 1.8 Evolution des Bus et réseaux

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38 2. Le protocole OPC OPC = OLE for Process Control OLE = Object Linked and Embedded OPC est une interface basée sur des standards ouverts offrant aux applications informatiques un accès simple et commun aux données : Technologie Microsoft OLE/COM Norme internationale Favorise une meilleure interopérabilité entre les équipements de terrain et les applications informatiques de supervision et de gestion 38

39 Le standard OPC Le serveur OPC est une application Windows permettant de lire et d écrire des variables (items ou tags) Ces variables sont mises à disposition des applications clientes OPC : Excel, Access, Visual Basic, C++, Java, Supervisions, Labview GMAO, GPAO, MRP, MES 39

40 Le standard OPC Application clientes distantes DCOM Ethernet TCP/IP Bases de symboles des applications Serveur OPC FIP, Profibus DP, Modbus + 40

41 OPC : tutorial et démo Tutorial de Matrikon Démonstration serveur OPC Schneider

42 Bibliographie Cours de supervision de B. Riera, Université de Reims Champagne Ardennes Cours de l IUT GEII de Tours de Pierre Poisson Cours d Ethernet Industriel de Eddy Bajic (IUT de Nancy) Cours CANopen de Jean Mercklé de l IUT de Mulhouse Présentation Profinet de Siemens Formation Réseaux industriels de Frédéric Bahuaud - Agilicom