Veldbussystemen
Even synchroniseren 

door Ing. Xavier De Buysscher, Motion & Transmission Magazine

Al meer dan 10 jaar na de invoering van veldbussystemen in de automatiseringswereld is de strijd om de macht op dit gebied nog niet beëindigd of uitgemaakt. Wel heeft men geleerd met elkander te leven en zich erop te concentreren nieuwe concepten te ontwikkelen in plaats van alle energie in de nutteloze concurrentieslag te steken. Hier volgen een aantal nieuwigheden op gebied van veldbussystemen.

Version française

Naar schatting zijn voor ongeveer 10% van alle mogelijke toepassingen in de automatiseringstechniek door veldbussystemen verbonden. Gegevens die tot op heden in de machine bleven steken, worden nu in toenemende mate via het bussysteem ter beschikking gesteld voor allerhande trackingen, visualiseringen, rapporten etc.
Deze systemen die de informatie van sensorniveau op directieniveau ter beschikking stellen worden hoe langer hoe belangrijker. Elk detail is van belang voor een bedrijf om vandaag de dag succesvol mee te draaien op wereldniveau. Toch is dit niet de enige rede waarom een veldbussysteem dient ingezet te worden. De besparing op gebied van hardware en installatie zijn niet te overzien, om nog te zwijgen over de mogelijkheden qua diagnose en snelle reactietijden bij machinestilstanden.
Zoals reeds in reeds in het verleden het geval was, vormen de producten op basis van CAN, Profibus, Interbus, en in de laagste regionen op AS-i nog altijd de meest populaire groep.
Toch is er nog altijd een groot aanbod aan bussystemen die voor dezelfde toepassingen kunnen ingezet worden. Door het gebrek aan een dominerend bussysteem, blijft er voor vele fabrikanten van veldbusmodules niets anders over dan hun producten op zijn minst voor de meest gebruikte systemen aan te bieden. En het aanbod aan diverse systemen blijkt nog toe te nemen. Andere systemen blijven aan functionaliteit winnen.
Een kleine update.

AS-i
AS-interface, de veldbus voor het laagste automatiseringsniveau, wordt uitgebreid voor veiligheidsfuncties. Een consortium bestaande uit de firma’s Festo, ifm electronic, Pepperl+Fuchs, Schneider electric en Siemens, heeft een coöperatie opgezet in de vorm van een contract met als doel een gemeenschappelijke definitie op te stellen om de ontwikkeling van de veiligheidscomponenten binnen goede en gecontroleerde banen te leiden.
Het AS-interface Safety-bus concept wil veiligheidscomponenten zoals noodstopknoppen, deurcontacten en lichtgordijnen direct aan het AS-i-net aansluitbaar maken. De signalen komend van deze veiligheidscomponenten worden door een veiligheidsmonitor uitgelezen. In de praktijk betekent dit voor de gebruiker dat hij zijn bestaande AS-i-netwerk kan uitbreiden voor veiligheidsfuncties, waardoor toch weer een enorme flexibiliteit gecreëerd wordt.

LON-basis
Van het nog immer groeiend systeemaanbod getuigt de versterkte aanwezigheid van producten op LON-basis. Oorspronkelijk werd dit bustype in gebouwenautomatisering ingezet, maar geleidelijk aan baant het zich ook een weg in de industriële omgeving. Zo worden producten zoals mini-PLC’s, PC-interfaces en ventieleilanden aangeboden met LON-interface voorzieningen. Nog afwachten of het de gebruiker zal aantrekken.

Ethernet
Bij veldbussystemen is Ethernet in grote mate aan belang aan het winnen. Door gebruik te maken van het TCP/IP-protocol wordt de open, wereldwijde standaardcommunicatie ook realiteit op I/O-niveau.
Het grootste probleem voor Ethernet in het verleden was dat het door gebrek aan determinisme en real-timemogelijkheden niet toereikend was voor toepassingen op veldbusniveau.
Origineel werd er bij Ethernettoepassingen gebruik gemaakt van een busarchitectuur waarbij elke machine via kabels verbonden werd met de buslijn. Deze bustechnologie, die trouwens vandaag nog gebruikt wordt, liet toe dat elke netwerkgebruiker zijn informatiepakket op het netwerk kon zetten van zodra hij een stilte op de lijn ontdekte. Hierdoor was de kans dat twee netwerkgebruikers tegelijkertijd data op lijn wilden zetten niet ongering en waardoor er een grote kans op databotsingen ("collisions") bestond. Meerdere pogingen konden nodig zijn om data van de zender naar de ontvanger te krijgen, waardoor vaste cyclustijden niet realiseerbaar waren. Voor de meest kritische processen kon dit betekenen dat een kritisch bericht niet tijdig ontvangen werd.
Door het aanbrengen van een aantal verbeteringen aan het protocol, werd de kans op deze botsingen tot een aanvaardbare waarde gereduceerd.
Niettegenstaande het origineel opgezette multi-drop busnetwerk goedkoop en gemakkelijk te installeren was, werd toch bewezen dat het onbruikbaar was. Door de bustechnologie om te toveren in een stertopologie werd meteen op gebied van gegevensflow en determinisme een enorme verbetering gecreëerd.
De stertopologie zorgt er voor dat elke netwerkmodule voorzien is van een eigen netwerksegment, die op hun beurt allen verbonden worden met een "switching hub". Deze switching hubs hebben de mogelijkheid gegevens te bufferen, en hebben de intelligentie te weten welk segment de desbetreffende modules bevat waarvoor de informatie bestemd is. Door het gebruik van deze intelligente hubs en de stijgende ethernetsnelheden worden databotsingen en hernieuwde zendpogingen tot een minimum herleid, waardoor een deterministisch netwerk verkregen wordt.
Daarnaast zorgen de performante hubs in gezelschap van een volledige duplex bedrading voor een tweevoudig redundant systeem.
Bij de nieuwe producten is een stijgend gebruik van glasvezelkabel te bemerken. Deze optische signaaloverdracht biedt vele technische voordelen vergeleken met de standaard metalen geleiders.

Jetweb-sturingstechnologie
Jetter maakt handig gebruik van de reeds bestaande Ethernet-kennis, door op de markt te komen met een Ethernettoepassing gaande van I/O-niveau tot MES. De kracht van Jetweb is dat het bekende Ethernet uit de IT-wereld nu real-time en deterministische eigenschappen bezit, geschikt voor toepassingen op I/O-niveau bij decentrale sturingen. Naast de grote voordelen op het gebied van decentrale structuur wordt er ook een totaal geïntegreerd ("embedded") systeem verkregen met de IT-wereld, met als groot voordeel dat een signaal van op sensorniveau zonder enige protocolomzetting kan doorgegeven worden aan het internet.
Programmering en netwerking zijn de kernpunten bij de Jetweb-technologie. Het grafisch programmeren en het transparante netwerk zorgen ervoor dat enorme kosten en nutteloos werk bespaard wordt op gebied van engineering.

Profisafe
Na Interbus Safety en de Pilz Safetybus, is er nu ook Profisafe, het nieuwe Profibusprofiel voor decentrale veiligheidstoepassingen. Hiermee begeeft Profibus zich ook op de automatiseringsmarkt die voorheen enkel voor de conventioneel elektromechanische sturingen voorbestemd was.
Typische toepassingsgebieden zijn bijvoorbeeld de automobielindustrie met hun persen en robotten, waar persoonsbeveiliging eenduidig op de voorgrond staat. Naast de persoonsbeveiliging is ook de machine en installatiebescherming een belangrijke factor.
In de verschillende toepassingen zijn er verschillende eisen te onderscheiden: in de productieomgeving is het van belang korte reactietijden van minder dan 20 milliseconden te realiseren en snel modules te kunnen wisselen en automatisch te parametreren. In de procesindustrie daarentegen is het van belang dat de machine zeker niet kan stilvallen, waardoor hogere eisen aan redundantie worden gesteld. Tezamen met machinebouwers en –gebruikers, zoals ABB, Daimler Chrysler, Festo, GE Fanuc, Schuler, Sick, enz., met jarenlange ervaring op gebied van veiligheid, werd gezocht naar een degelijke, toekomstgerichte oplossing.
Als eindgebruikers van dergelijke veiligheidsbus kunnen twee groepen onderscheiden worden: enerzijds de sturingsfabrikanten met hun PLC’s en IPC’s en anderzijds de fabrikanten van decentrale slaves zoals actuatoren, sensoren en veldterminals.
Door deze grote inbreng van de "klanten", is Profisafe-profiel een veiligheidsprotocol dat gebruik maakt van standaard profibusfuncties en dat uitsluitend door de eindgebruikers gekarakteriseerd is.
Bijzonder punt van Profisafe is dat veiligheidsfuncties en standaard procesfuncties gelijktijdig hetzelfde communicatiemedium kunnen gebruiken. Dit biedt bijkomend voordeel dat er maar kennis nodig is van één systeem en dat een zelfde software-tool gebruikt kan worden voor installatie, configuratie, inbedrijfname en monitoring van beide functies. Hierbij blijven ook de standaardfuncties van het busprotocol onveranderd. Alle hardwarecomponenten zoals protocolchips, drivers, repeaters, kabel, enz. kunnen ongewijzigd verder gebruikt worden, de Profibus-PA techniek inbegrepen.
De betrouwbare communicatie wordt in tegenstelling tot de duurdere redundantieoplossingen, met een éénkanalige techniek verwezenlijkt.
Veiligheidskringen met verschillende veiligheidscategorieën (Safety Integrity Levels: SIL) kunnen op hetzelfde netwerk aangesloten worden. Het nieuwe Pofisafe profiel voldoet aan categorie 3, maar er worden acties ondernomen voor categorie 4.
Tezamen met de gebruikers wordt het profielontwerp aan een continu verbeteringsproces onderworpen en wordt het aan de eisen van de automatiseringswereld gespiegeld.
Dit jaar wordt nog een doorbraak verwacht.
Dan hebben volgens de ontwerpers de speciale veiligheidsbussen afgedaan.

Systèmes de bus de terrain
Un peu de synchronisation

par Ing. Xavier De Buysscher, Motion & Transmission Magazine

lus de 10 ans après l’introduction des systèmes de bus de terrain dans l’univers de l’automatisation, la lutte pour l’hégémonie dans ce domaine n’est toujours pas décidée. Chacun a bien sûr trouvé un modus vivendi et se concentre sur le développement de nouveaux concepts plutôt que de vouloir à tout prix la tête des concurrents. Voici un bref aperçu des nouveautés dans le domaine des systèmes de bus de terrain.

On peut estimer qu’environ 10% de toutes les applications d’automatisation possibles sont reliées par un système à bus de terrain. Des données jusque là bloquées au niveau de la machine en question, deviennent de plus en plus disponibles pour toutes sortes de tracking, de visualisation, de rapports, etc. Ces systèmes qui mettent à la disposition de la direction des informations obtenues par des capteurs, deviennent de plus en plus importants. Aucun détail ne peut plus échapper au contrôle d’une entreprise qui se veut efficace dans l’économie planétaire. Mais d’autres raisons plaident également en faveur de l’utilisation de bus de terrain. Ainsi les économies réalisées au niveau de l’équipement et de l’installation sont énormes mais il y aussi les possibilités en matière de diagnostic et les temps de réaction plus courts lors d’arrêts de production. Comme par le passé, les produits sur une solide base CAN, Profibus, Interbus et, aux échelons plus bas l’AS-I restent le groupe le plus populaire. Le choix des bus destinés aux mêmes types d’application reste très grand. L’absence d’un système dominant les autres et instaurant des normes, contraint les fabricants de modules à bus de terrain à proposer leurs produits pour un nombre maximal de systèmes. Et du côté des différents systèmes, l’offre ne cesse de s’étendre. D’autres systèmes deviennent de plus en plus fonctionnels. Une mise à jour s’impose.

AS-I
AS-interface, le bus de terrain destiné au niveau d’automatisation le plus bas, étend ses fonctions de sécurité. Un consortium composé des sociétés Festo, ifm electronic, Pepperl+Fuchs, Schneider electric et Siemens a mis au point une coopération sous forme de contrat. Celui-ci a pour but d’établir une définition commune permettant d’ouvrir la voie vers un développement correct et contrôlé des composants de sécurité. Le concept As Interface Safety-bus entend créer une compatibilité entre les composants de sécurité tels que les boutons d’arrêt d’urgence, les contacts au portes et les écrans de sécurité avec le réseau AS-i. Les signaux fournis par ces composants de sécurité sont visualisés sur un écran de sécurité. Dans la pratique, cela signifie pour l’utilisateur qu’il peut étendre son réseau AS-I existant à des fonctions de sécurité. Cette évolution permet de créer une flexibilité énorme.

Base LON
La présence renforcée des produits à base du système LON témoigne de la multiplication continue de l’offre. A l’origine, ce type de bus doit son existence à la gestion automatisée de bâtiments mais petit à petit il s’est imposé au secteur industriel. Ainsi des produits tels que les PLC mini, les interfaces PC et les îlots de soupapes sont proposés munis de l’interface LON. Cela suffira-t-il pour convaincre l’utilisateur?

Ethernet
L’ethernet gagne en importance dans les systèmes à bus de terrain. En recourant au protocole TCP/IP, la norme de communication la plus universelle devient une réalité au niveau de la gestion des entrées et des sorties. Par le passé, l’ethernet était caractérisé par un manque de déterminisme et de possibilités en temps réel pourtant requis par les applications au niveau du bus de terrain. Initialement, les applications ethernet utilisaient une architecture de bus où chaque machine était reliée par câble à la ligne du bus. Cette technologie, toujours en vigueur aujourd’hui, permet à chaque utilisateur du réseau à envoyer son paquet d’informations sur le réseau dès qu’il y détecte un moment de silence. Cette approche augmente évidemment le risque que deux utilisateurs tentent en même temps d’envoyer leurs informations, entraînant par là des collisions de données. Il faut dans ce cas plusieurs tentatives pour envoyer les données au récepteur et du coup il est impossible de réaliser des temps de cycle fixes. Dans le cas de processus critiques, cela signifie qu’un message critique n’est pas réceptionné à temps. Des améliorations au protocole ont réduit ces risques de collision à une valeur acceptable.
Malgré le fait que ce réseau «multi-drop» initial était peu facile à installer et peu onéreux, il s’avérait tout bonnement inutilisable. En passant à la topologie en étoile, le flux de données et le déterminisme ont été fortement améliorés. Cette nouvelle topologie assure à chaque module de réseau son propre segment de réseau. Ceux-ci sont à leur tour connectés à un «switching hub». Ces «switching» hubs permettent de stocker provisoirement des données et disposent d’une intelligence permettant de savoir quel segment contient les modules auxquels l’information est destinée. Le recours à ces hubs intelligents et les vitesses accrues de l’ethernet réduisent au maximum les collisions de données et les tentatives d’envoi, créant ainsi un réseau déterministe. L’association de hubs performants à un câblage entièrement duplex assure un système doublement redondant. Dans le cas de nouveaux produits, on peut constater un recours de plus en plus fréquent aux fibres optiques. La transmission de signaux par voie optique offre de nombreux avantages techniques par rapport aux conducteurs métalliques classiques.

La technologie de contrôle Jetweb
Jetter tire profit des connaissances existantes en commercialisant une application ethernet allant du niveau I/O au MES. La force de Jetweb réside dans le fait que l’ethernet du monde IT possède enfin les caractéristiques en temps réel en déterministes requis par les applications au niveau I/O dans les systèmes de contrôle décentralisés. En plus d’avantages importants pour l’architecture décentralisée, l’univers IT permet de créer unb système entièrement intégré («embedded»), ce qui permet de transmettre à l’Internet, sans la moindre conversion de protocole, un signal obtenu au niveau des capteurs. La programmation et le réseau sont les éléments-clé de la technologie Jetweb. La programmation graphique ainsi que la transparence du réseau permettent de réaliser des économies énormes et d’éviter du travail inutile au niveau de l’ingéniérie.