Communicatienetwerken
De strijd om het laken
De bustechnologie zit de
laatste jaren degelijk in de lift, en terecht ook. De vele voordelen die deze
techniek met zich meebrengt zijn onoverzienbaar. Toch blijft het voor de
gebruiker een moeilijke keuze welk bussysteem hij zal implementeren. Er zijn op
dit moment al een aantal toonaangevende fabrikanten, maar van geen enkel systeem
kan men nu zeggen dat dat nu de standaard voor de komende jaren zal worden. In
plaats van een goede samenwerking die zou leiden tot een standaardsysteem zien
we meer een gevecht tussen de grote titanen, die allen zoveel mogelijk het laken
naar zich toe trachten te trekken. Een overzicht.
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française
Over de universele veldbus wordt
nu al een aantal jaren gepraat. We kunnen nu al wel besluiten dat het nog niet
voor binnenkort zal zijn. Trouwens de gebruiker is niet zozeer in normen
geïnteresserd, voor hem geldt enkel het begrip "Open structuur".
De twee grootste titanen in de veldbus-arena zijn Profibus en Interbus. Beiden
beweren marktleider te zijn, en komen voor de dag met tegenstrijdige cijfers om
hun meesterschap te bewijzen. Deze strijd zal blijven duren zolang er geen
communicatiestandaard is vastgelegd. Tot dan moeten de leveranciers van
automatiseringsmodules de verschillende busstandaarden blijven volgen als ze op
alle terreinen willen blijven meedingen.
Terug naar de basis
Op fysisch vlak kunnen we onderscheidt maken tussen de lineaire bussystemen
(met "drops"), de ring-systemen (waarbij alle knopen,
"nodes", zijn verbonden in een fysische ring), de ster en de gemixte
types. Elk met hun voor- en nadelen.
Om de werkelijke buscommunicatie in goede banen te leiden zijn er twee
verschillende systemen die dit organiseren: de "master-slave" en de
"peer-to-peer", waaronder CSMA (Collision Sense/ Multi-Acces) en
token-ring. In een master-slave-netwerk is de master-knoop ("master
node") de organisator van het netwerk en hij geeft de andere knooppunten
(slaves) toelating om het netwerk te betreden. In de peer-to-peer netwerken
hebben alle busdeelnemers gelijke toegangsrechten. Bij CSMA kan de
netwerkdeelnemer monitoren of de bus vrij is voor gebruik, wanneer hij in
botsing komt met andere datatransacties op de lijn, dan trekt hij zich tijdelijk
terug totdat de bus weer vrijkomt. Bij de token-ring of token-bus netwerken
heeft de busdeelnemer, die de "token" bezit, toegang tot de bus totdat
de token wordt doorgegeven. Vele bussen hebben de mogelijkheid om periodiek data
door te geven, men spreekt hier van een
"producer/consumer"-technologie. ControlNet, DeviceNet, Fieldbus
Foundation and WorldFIP protocollen zijn gebaseerd op deze technologie, die
toelaat dat alle knopen van het netwerk tegelijkertijd toegang hebben tot
dezelfde data van een enkele bron.
Industriële communicatienetwerken kunnen ook gegroepeerd worden in drie
basiscategorieën: "general-purpose" netwerken, de
"fieldbuses" en de "devicebuses" (ook de bit-niveau bussen
genoemd). Iedere categorie kan bestaan uit de verschillede fysische en
organisatorische structuren, zoals hiervoor besproken.
"General-purpose" netwerken verzenden punt-tot-punt berichten tussen
de netwerkknopen onderling of zelfs naar andere netwerken zoals Ethernet,
ARCNet, IBM Token Ring en MAP. Deze netwerken worden veelal gebruikt om gegevens
te verzamelen en registreren, om gegevens uit te wisselen tussen verschillende
processen of om vanop afstand toegang tot het systeem te hebben.
Veldbussen of "fieldbuses" daarentegen zijn ontwikkeld om periodiek
data uit te wisselen (tevens bekend als de
"producer/consumer"-informatie) tussen de I/O-modules en om gedurende
bepaalde tijdsintervallen punt-tot-punt berichten door te sturen en
netwerkcontroletaken te verrichten. Fieldbus en Profibus zijn typische
voorbeelden.
"Devicebuses" zoals AS-i en Seriplex voorzien prijsgunstigere
verbindingen met I/O-modules. Niettegenstaande de datatransfer-snelheden niet
echt gevorderd zijn, kan hun output aanzienlijk hoog zijn door de beperkte
netwerkgrootte en de vereenvoudigde netwerkorganisatie en –adressering.
Andere netwerken en bussystemen neigen tussen al deze categorieën te vallen.
Nieuwere bussystemen zoals DeviceNet, Can en SDS leveren de voordelen van een
veldbus, terwijl ze in de prijsklasse van de device-bussen blijven.
Interbus
De laatste 10 jaar heeft Interbus zich ontwikkeld tot de top van de seriële
veldbekabeling. In een onafhankelijke studie van ARC (Automation Research
Corporation), betaald door de verkoop van exemplaren en niet door één van de
veldbusfabrikanten, is Interbus al verschillende keren als wereldwijd
marktleider uitgekomen. Eén van de redenen voor de groei van deze veldbus was
zeker de komst van de Motorala ASIC, zo’n 4 jaar geleden, met geïntegreerd
Interbus-protocol. Hierdoor werd het een stuk makkelijker voor de fabrikanten
van automatiseringsmodules hun apparatuur Interbus-compatibel te maken. Tevens
kunnen de eerste Interbus-modulen nog altijd probleemloos ingezet worden. Door
deze continuïteit beschikt Interbus wereldwijd over de grootste geïnstalleerde
basis in systemen en veldapparatuur (1997: 1,7 miljoen).
Interbus geeft de mogelijkheid om alle soorten automatiseringsmodulen, van
sensors en actuators tot procesregelsystemen, aan elkaar te koppelen met
hetzelfde veldbussysteem. De communicatie met HMI (Human Machine Interface) en
de communicatie tussen de PLC’s onderling gebeurt via Interbus. Dit heeft als
voordeel dat de engineers, programmeurs, installateurs en onderhoudspersoneel
maar kennis van één systeem hoeven te hebben.
Voor installaties waar het aantal in- en uitgangen niet zo groot is, is de
oplossing de techniek toepassen waar deze nodig is, namelijk direct in de
machine of installatie. Hiertoe moeten de sensoren en actuatoren direct aan
Interbus aangesloten worden zonder al te veel tussenstations, connectoren en
extra kabels. Met de Interbus-Loop-modulen wordt de buselektronica direct in het
periferieapparaat geïntegreerd. Het voordeel is ook dat geen enkel moment het
Interbus-netwerk verlaten wordt.
Zoals reeds bekend, is de alom gekende standaard PC zijn toepassingsgebied aan
het uitbreiden van het kantoor naar de industriële automatisering. Met
Interbus-Open Control speelt Phoenix Contact direct in op het groeiende open
automatiseringsconcept voor machines en installaties gebaseerd op de standaard
PC’s, Windows, IEC 1131 en natuurlijk Interbus. Door het standaardiseren van
de data-uitwisseling volgens de Open Control afspraken kunnen industriële
toepassingen eenvoudig communiceren met kantoortoepassingen. Open Control maakt
de bus tot de ruggengraat van het automatiseringssysteem.
Profibus
Profibus, die onstaan is uit de schoot van Siemens, is vandaag zoals reeds
aangehaald één van de populairste veldbussystemen op de Europese markt. Met
een totaal andere strategie dan Phoenix Contact, doen zij er toch ook alles aan
om hun dominantie in de Benelux en de andere Europese landen veilig te stellen.
In tegenstelling tot Phoenix Contact verkoopt Siemens haar veldbussen niet als
stand-alone oplossing, maar maken ze deel van de totaaloplossingen die de
constructeur de klanten probeert aan te prijzen.
De specificaties van de Profibus (Process Field Bus) zijn vastgelegd in de
Europese norm EN 50170. Leveranciers zijn gehouden aan een strikte implementatie
van de in deze norm beschreven interfaces en protocolopbouw hetgeen een maximale
connectiviteit waarborgt.
Profibus omvat drie compatible protocol varianten die allen gebaseerd zijn op
dezelfde Profibus technologie en die alle drie gebruik maken van een enkelvoudig
busprotocol. Het Profibus-procédé gebruikt het token-passing voor de
communicatie van intelligente busdeelnemers (masters) onderling en ondersteund
het master/slave principe voor de communicatie van intelligente busdeelnemers
met de periferie-apparaten (slaves).
Profibus FMS (fieldbus Message Specification) is de universele oplossing voor
communicatie tussen intelligente automatiseringssystemen. De FMS diensten hebben
een breed toepassingsgebied en zijn geschikt voor omvangrijke communicatietaken.
Profibus DP (Decentrale Periferie) biedt door de hoge transmissiesnelheid een
optimale oplossing voor de communicatie tussen automatiseringssystemen en daarop
aangesloten decentrale periferie.
Profibus PA (Process Automation) is afgestemd op toepassingen in typische proces
omgeving.
Profibus PA maakt gebruik van de in IEC 1158-2 genormeerde intrinsiek veilige
overdracht en maakt het mogelijk de op de bus aangesloten instrumentatie te
voeden via de bus.
Deelnemers op het netwerk kunnen als master of als slave worden geconfigureerd.
De gebruiker kan de opbouw van de communicatiepatronen binnen het netwerk zelf
volledig vrij definiëren. Tussen een multi-master en single master-slave
configuratie is ieder patroon denkbaar.
De overigen
Het lijkt wel dat beide Duitse leveranciers hun deel van de markt willen
veilig stellen, maar wat dan met de overige leveranciers? Moeten ze lijdzaam
toezien hoe Phoenix Contact en Siemens alleen de Belgische markt verdelen en hen
enkel en alleen de kruimels laten? Alternatieve oplossingen zijn er in ieder
geval. Denken we maar aan netwerken zoals DeviceNet van Allen Bradley en
LONWorks van Echelon. Netwerken die in Amerika al goed ingeburgerd zijn, en die
qua werking zeker voldoen aan de technische eisen, maar die toch geen vaste voet
krijgen op de Europese markt. Interbus en Profibus zijn zo ingeburgerd, dat ze
zeer moeilijk te bestrijden zijn. Populaire veldbussen van een aantal jaren
geleden, zoals Modbus, die hun populariteit in grote mate dankte aan de Modicon
Controllers, zijn stilaan van het front aan het verdwijnen.
Dan is er nog WorldFIP, de Franse nationale Fieldbus standaard; ondersteund door
Télémécanique, een dochter van de Groupe Schneider. Hun moto is "Wie
niet populair is, moet beter zijn". In Frankrijk en Italië heeft deze bus
succes; maar in Noord-Europa echter dringt FIP zich niet door.
CAN-bus daarentegen is een bus die toch erg in opkomst is. Als industriële bus
is CAN geen grote, maar als gebruikte bus in apparatuur is zij zeker en vast een
van de grootste.
Trends
Producten vandaag de dag moeten compatibel zijn met meerdere veldbustypes,
moeten meer kunnen en moeten "Plug and Play" zijn. Zo ziet men dat I/O
modules en terminal blocks kleiner worden en meer functionaliteit krijgen. De
tendens om intelligentie over het veld te verdelen speelt Interbus duidelijk in
de kaart. In tegenstelling tot Profibus werd Interbus uitsluitend ontworpen om
de communicatie tussen lokale controllers en I/O eilanden te verzorgen. Deze bus
kan zowel a-cyclische "intelligente" informatie, zoals parameters en
programmatieblokken, als cyclische procesinformatie georganiseerd over het
netwerk laten lopen. Siemens beseft de nood en reageert door steeds meer FMS
functionaliteiten, die men vroeger enkel aantrof op hoger niveau, te integreren
in Profibus DP.
Het grootste deel van de "markt"koek wordt vandaag verdeeld onder de
twee Duitse giganten Profibus en Interbus. De andere leveranciers kunnen enkel
maar toekijken en vechten voor wat overblijft. Een universele standaard?
Misschien morgen? Wie zal het zeggen?
ing. Xavier De Buysscher
Réseaux de communication
Le combat pour une part du gâteau
Depuis plusieurs années, la
technologie des bus connaît une évolution accélérée et ceci non sans
raisons. Les nombreux avantages qu’entraîne cette technique sont
incalculables. Le choix du système de bus qu’il compte installer reste
toutefois une opération difficile pour l’utilisateur. Bien que le marché
compte déjà actuellement un certain nombre de fabriquants prédominants, on ne
peut, dans l’état actuel des choses, dire d’aucun de ces systèmes qu’il
est appelé à devenir le standard pour les années à venir. En lieu et place d’une
collaboration saine qui pourrait déboucher sur un système standard, on assiste
plutôt à un combat de titans où il s’agit surtout de s’approprier la part
principale du gâteau. Un résumé de la situation.
Les palabres concernant le bus de
terrain universel se poursuivent depuis déjà un certain nombre d’années.
Nous sommes dorénavant en mesure de conclure que sa réalisation ne doit pas
être attendue dans les jours à venir. D’ailleurs, tout ce remue-ménage qui
entoure les normes n’intéresse nullement l’utilisateur. Ce qui compte pour
lui, c’est la notion de «Structure ouverte». Les deux principaux titans dans
l’arène du bus de terrain sont Profibus et Interbus. Tous deux allèguent qu’ils
sont leader du marché, tous deux avancent des chiffres contradictoires afin de
prouver cette maîtrise du marché. Cette lutte se poursuivra aussi longtemps
que se prolongera l’absence d’un standard de communication. D’ici là, les
fournisseurs de modules d’automatisation seront obligés de suivre les
différents standards en ce qui concerne les bus s’ils souhaitent rester dans
la course dans tous les domaines.
Revenons à la base
Sur le plan physique, nous pouvons différencier les systèmes linéaires de
bus (avec des «drops»), les systèmes à boucle (dans lesquels tous les
noeuds, «nodes», sont interconnectés en une boucle physique), les étoiles et
les types mixtes. Chacun comportant ses avantages et ses inconvénients. Deux
systèmes sont à même de bien gérer une réelle communication via un bus : le
système «master-slave» et le système «peer-to-peer», dont CSMA (Collision
Sense/ Multi-Acces) et «token-ring». Dans un réseau master-slave, le
master-noeud («master node») représente l’organisateur du réseau qui
autorise l’accès au réseau des autres noeuds (slaves). Dans les réseaux
peer-to-peer, tous les participants du bus bénéficient des mêmes droits d’accès.
Dans le cas de CSMA, le participant du réseau peut vérifier si le bus est
libre d’utilisation. Lorsqu’il entre en collision avec d’autres
transactions de données sur la ligne, il se retire momentanément jusqu’à ce
que le bus se libère. En ce qui concerne les réseaux token-ring ou token-bus,
le participant qui possède le «token» a accès au bus jusqu’à transmission
complète du token.
De nombreux bus ont la possibilité de procéder à des transmissions
périodiques de données ; nous parlons alors d’une technologie
«producer/consumer». Les protocoles ControlNet, DeviceNet, Fieldbus Foundation
et WorldFIP sont basés sur cette technologie qui permet à tous les noeuds du
réseau d’avoir simultanément accès aux mêmes données en provenance d’une
seule source. Les réseaux industriels de communication peuvent également être
groupés en trois catégories de base : les réseaux «general-purpose», les
«fieldbuses» et les «devicebuses» (également appelés les bus de
niveau-bit). Chaque catégorie peut comprende les diverses structures physiques
et organisationnelles que nous avons traîtées précédemment. Les réseaux
«general-purpose» transfèrent des messages point-à-point entre les
différents noeuds du réseau ou même vers d’autres réseaux comme Ethernet,
ARCNet, IBM Token Ring et MAP. Ces réseaux sont généralement utilisés pour
collecter et enregistrer des données, pour procéder à l’échange de
données entre différents processus ou pour avoir accès à distance au
système. Les bus de terrain ou «fieldbuses» ont par contre été développés
pour procéder à des échanges périodiques de données (également connus
comme les informations «producer/consumer») entre les modules I/O et pour
transférer des messages point-à-point ou effectuer des tâches de contrôle du
réseau durant certains intervalles de temps. Fieldbus et Profibus sont des
exemples types de ces systèmes. Les «devicebuses» comme AS-i et Seriplex
fournissent des connexions avantageuses en terme de prix avec les modules I/O.
Malgré le fait que les vitesses de transfert des données ne se situent pas
vraiment dans un stade avancé, leur capacité de sortie peut être
considérablement élevée, grâce à la taille limitée du réseau ainsi qu’à
l’organisation et à l’adressage simplifiés du réseau. Les autres réseaux
et systèmes de bus tendent à s’intercaler entre ces différentes
catégories. Les systèmes de bus plus récents tels que DeviceNet, Can et SDS
offrent les avantages d’un bus de terrain, tandis qu’ils se situent dans la
classe de prix des «device-bus».
Interbus
Durant les 10 dernières années, Interbus s’est développé comme le
sommet en matière de câblage sériel de terrain. Dans une étude indépendante
de ARC (Automation Research Corporation), financée par la vente des systèmes
en général et non par l’un des fabriquants de bus de terrain, Interbus a
déjà émergé à plusieurs reprises comme le leader du marché mondial. L’une
des raisons qui ont motivé la croissance de ce bus de terrain a été sans nul
doute l’arrivée, il y a de cela 4 ans, de Motorala ASIC avec protocole
Interbus intégré. Grâce à cette technique, il est devenu nettement plus
facile pour les fabriquants de modules d’automatisation de rendre leurs
équipements compatibles avec Interbus. De plus, les premiers modules Interbus
peuvent encore être mis en oeuvre sans aucun problème. Grâce à cette
continuité, Interbus dispose de la plus importante base installée de systèmes
et d’appareillages de terrain au monde (1997: 1,7 million). Interbus offre la
possibilité d’interconnecter tous les types de modules d’automatisation,
des capteurs et actuateurs aux systèmes de régulation de processus, à l’aide
du même système de bus de terrain. De même, la communication avec les HMI
(Human Machine Interface) et la communication mutuelle entre les PLC s’effectuent
via Interbus, ce qui offre l’avantage aux ingénieurs, programmeurs,
installateurs et personnel d’entretien de ne devoir maîtriser qu’un seul
système. Pour les installations comportant un nombre relativement réduit d’entrées
et de sorties, la solution est d’appliquer cette technique là où cela s’avère
nécessaire, c’est-à-dire directement dans la machine ou l’installation.
Pour ce faire, les capteurs et actuateurs devront être connectés directement
à Interbus sans trop de stations intermédiaires, de connecteurs et de câbles
supplémentaires. Grâce aux modules Interbus-Loop, l’électronique des bus
est directement intégrée dans l’équipement périphérique. Ceci comporte
comme avantage qu’on ne quitte à aucun moment le réseau Interbus. Comme nous
le savons déjà, le standard PC universellement reconnu est en voie d’étendre
son domaine d’application depuis les buraux vers les automatisations
industrielles. Avec Interbus-Open Control, Phoenix Contact anticipe directement
la croissance du concept d’automatisation ouverte pour les machines et
installations basées sur les PC standards, Windows, IEC 1131 et, bien entendu,
Interbus. Grâce à la standardisation des échanges de données selon les
accords propres à l’Open Control, les applications industrielles sont en
mesure de communiquer simplement avec des applications de bureau. Open Control
fait du bus la colonne vertébrale du système d’automatisation.
Profibus
Comme nous le disions déjà, Profibus, issu du giron de Siemens, est
aujourd’hui l’un des systèmes de bus de terrain les plus populaires sur le
marché européen. Avec toutefois une stratégie totalement différente que
celle de Phoenix Contact, tout est mis en oeuvre pour assurer la dominance dans
le Benelux et les autres pays européens. Contrairement à Phoenix Contact,
Siemens ne vend pas ses bus de terrain comme solutions stand-alone mais plutôt
comme partie intégrante des solutions globales que le constructeur propose à
ses clients. Les spécifications de Profibus (Process Field Bus) sont fixées
dans la norme européenne NE 50170. Les fournisseurs sont tenus à une
implémentation stricte des interfaces et constructions protocolaires décrits
dans la norme, ce qui garantit une connectivité maximale. Profibus comprend
trois variantes compatibles de protocoles qui sont toutes basées sur la même
technologie Profibus et qui ont toutes les trois recours à un protocole bus
simple. Le procédé Profibus utilise le «token-passing» pour la communication
mutuelle des participants intelligents du bus (masters) et soutient le principe
master/slave pour la communication des participants intelligents du bus avec les
équipements périphériques (slaves). Profibus FMS (fieldbus Message
Specification) représente la solution universelle pour la communication entre
systèmes intelligents d’automatisation. Les services FMS disposent d’un
vaste domaine d’application et conviennent pour des tâches de communication
volumineuses. Grâce à sa vitesse élevée de transmission, Profibus DP
(Périphérie Décentralisée) offre une solution optimale pour la communication
entre systèmes d’automatisation et les périphéries décentralisées qui y
sont connectées.
Profibus PA (Process Automation) est axé sur les applications qui se situent
dans un environnement type de processus. Profibus PA a recours au transfert
intrinsèquement sûr, tel qu’il est spécifié dans la norme IEC 1158-2, et
permet l’alimentation via le bus des instruments qui sont connectés à ce
bus. Les participants à ce réseau peuvent être configurés comme master ou
comme slave. L’utilisateur est en mesure de librement définir l’élaboration
des trames de communication au sein du réseau. Chaque trame est possible dans
une configuration entre un multi-master et un single master-slave.
Les autres
Il semble bien que les deux fournisseurs allemands aient à coeur de
garantir leur part du marché mais qu’en est-il des autres fournisseurs? N’ont-ils
d’autre choix que de voir Phoenix Contact et Siemens se partager le marché
belge et de se contenter des miettes? Toujours est-il que des solutions
alternatives existent bel et bien. Ne mentionnons que certains réseaux tels que
DeviceNet de Allen Bradley et LONWorks de Echelon. Ce sont des réseaux qui sont
consacrés par l’usage en Amérique mais qui, bien que satisfaisant aux
exigences techniques, n’arrivent pas à s’imposer sur le marché européen.
Interbus et Profibus sont tellement entrés dans les moeurs que les combattre
représente une tâche particulièrement ardue. Certains bus de terrain, comme
Modbus, qui bénéficiaient d’une popularité certaine, due en grande partie
aux Modicon Controllers, sont en train de disparaître du front.
Mentionnons encore WorldFIP, le standard national français en matière de bus
de terrain, soutenu par Télémécanique, une filiale du Groupe Schneider. Leur
devise est «Lorsqu’on n’est pas populaire, on se doit d’être meilleur».
Ce bus connaît un succès certain en France et en Italie mais FIP n’arrive
pas à réellement percer en Europe du Nord.
CAN-bus, par contre, est un bus en pleine évolution. N’étant certainement
pas un grand bus industriel, CAN s’avère toutefois l’un des bus les plus
utilisés dans les appareillages.
Tendances
Les produits d’aujourd’hui doivent être compatibles avec plusieurs
types de bus de terrain, leurs possibilités doivent être accrues et ils
doivent bénéficier du «Plug and Play». On assiste à une réduction en terme
de dimensions des modules I/O et des «terminal blocks» ainsi qu’à un
accroissement de leur fonctionnalité. La tendance, visant à répartir l’intelligence
sur l’ensemble du terrain, joue très nettement en faveur d’Interbus.
Contrairement à Profibus, Interbus a été exclusivement conçu pour assurer la
communication entre les contrôleurs locaux et les îlots I/O. Ce bus permet la
circulation d’informations relatives au processus, tant au niveau des
informations «intelligentes» acycliques, comme des paramètres et des blocs de
programmation, qu’au niveau des informations cycliques. Siemens est très
conscient de ces besoins et réagit en intégrant dans Profibus DP toujours plus
de fonctionnalités FMS, jadis réservées à des niveaux supérieurs.
La principale part du «gâteau» est aujourd’hui répartie entre les deux
titans allemands Profibus et Interbus. Les autres fournisseurs n’ont d’autre
choix que d’assister au combat et ramasser les miettes restantes. Un standard
universel? Demain peut-être? Qui le dira?
ing. Xavier De Buysscher
