Veldbus
ruggengraat van het installatiesysteem

De markt van de veldbussen heeft een opmerkelijke ontwikkeling ondergaan. Het aanbod in dit domein is trouwens veel duidelijker geworden sinds de aanvaarding van de Cenelec EN 50170 en EN 50254 norm aangaande de globale communicatiesystemen.

De veld- of terreinbussen bieden het voordeel de kableringskosten te drukken. Tevens leggen zij de link tussen de wereld van de controle en deze van de informatica. De aangewende bus moet in staat zijn de informatiestroom tussen deze twee werelden te verwerken, zonder daarbij de flux aan gegevens die onderhevig zijn aan kritische tijdsbeperkingen te storen.

In den beginne
In 1980 werd in de US een werkgroep opgericht om een nieuwe digitale standaard uit te werken voor proces-/fabrieksautomatisering. Deze digitale standaard moest de 4-20 mA standaard, opgesteld in 1972, vervangen. Het was de bedoeling om de digitale technologie te gaan gebruiken als een nieuwe architectuur om procescontrole en fabrieksautomatisering te bedrijven. Onder de naam Fieldbus zou deze nieuwe benadering de wereld ingaan. In het begin van de jaren 80 had een aantal bedrijven reeds heel wat denkwerk verricht rond digitale communicatie tussen primaire meetinstrumenten, het digitaal regelsysteem DCS (Distributed Control System) en de regelklep. De belangrijkste spelers op dit gebied waren Honeywell, Foxboro, Rosemount, Allen Bradley, General Motors in de US en Siemens in Europa. Uit dit denkwerk kwamen toen reeds al een paar essentiële producten te voorschijn, waaronder het HART protocol (Highway Adressable Remote Transducer), MAP (Manufacturing Automation Production) en Profibus (Procesbus). Maar het was toen al duidelijk dat de verschillende initiatieven beter op elkaar moesten worden afgestemd, wilde men tot echte resultaten komen. Hiertoe werden IFC (International Fieldbus Consortium – US), Profibus en Interbus (Duitsland) en WorldFIP (Frankrijk) opgericht. Daarnaast werd onder leiding van de ISA (International Society for measurement control) SP 50 opgestart, de standaard die gedeeltelijk aanvaard wordt door ANSI (American National Standards Institute) en IEC (International Electrotechnical Committee). In Europees verband werd de werkgroep SC 65/WG 6 van het IEC opgericht. Deze groep wordt technisch ondersteund door ISA.

Doelstellingen
Fieldbus is een datacommunicatiesysteem dat procesmetingen en procescontrole moet toelaten tussen verschillende veldapparaten, verschillende regelapparaten, verschillende PLC apparaten en PC georiënteerde systemen. De naam Fieldbus kan enkel worden gebruikt wanneer het de ISA/IEC standaard ondersteund.
De doelstelling van Fieldbus is een meer gestandaardiseerde vorm van digitale communicatie vastleggen voor de procesregeltechniek en voor de fabrieksautomatisatie. De algemene verwachting is dat met Fieldbus meer intelligentie terecht zal komen in de veldapparaten, waaronder zeker in de primaire meetapparaten en de regelklep.
Om te kunnen profiteren van de voordelen van de bussen volstaat het dat de gebruiker de vereisten van zijn toepassing beschrijft in functie van volgende drie gegevens categorieën:
Þ Cyclische gegevens: real time repetitieve gegevens
Þ Voorwaardelijke gegevens: occasioneel optredende informatie zoals alarmsignalen
Þ Berichten: occasioneel meegedeelde informatie gekenmerkt door een aanzienlijk volume aan gegevens, bijvoorbeeld het van op afstand afladen van een nieuw procédé.
Het eerste essentieel element van een terreinbus is het communicatieprotocol. Het protocol moet garanderen dat de cyclische, tijdskritische informatie niet gestoord wordt door de flux aan berichten en voorvallen met lagere prioriteit.
Het tweede belangrijk element van een terreinbus is zijn interoperabiliteitsgids, waarin de gebruiker een keuze kan maken tussen de producten van verscheidene oorsprong. Deze gids biedt een globale structuur met de keuzemogelijkheid tussen algemene profielen met toenemende complexiteit:
Profiel 1: Plug and Play
Profiel 2: voor eenvoudige dispositieven met cyclische en voorwaardelijke gegevens
Profiel 3: voor complexe dispositieven met zowel cyclische en voorwaardelijke veranderlijken, als berichten.
De gids biedt tevens een standaard "metgezel", ’t is te zeggen een begeleidende norm voor elk producttype uit een gegeven toepassingsgebied.
De noden van de gebruiker en uiteraard de overtuigingskracht van de fabrikant zullen uitwijzen welke bustechnologie het beste geschikt is om deze doestelling te bereiken.

De elektrische schakelkast
Nadat de in- en uitgangsmodules voor sensoren en actuatoren uit de schakelkast zijn verdwenen en naar het veld zijn verplaatst, is het nu de beurt aan het resterende gedeelte dat zich nog in de schakelkast bevindt. Een recente ontwikkeling van deze verdere decentralisatie is de functiegeoriënteerde stationsopbouw van Interbus Inline. Aan de hand van dit installatiesysteem kan de installateur de schakelkastopbouw optimaliseren. En als hij dat goed doet is de centrale schakelkast zelfs overbodig.
De elektrische schakelkast heeft tot op heden twee revoluties doorstaan.
Op het eind van de jaren ’70 verving de PLC de contactoren en relais. Bij het begin van de jaren ’90 werd de centrale schakelkast geconfronteerd met het fenomeen veldbus, dat de sensoren en actoren decentraal verspreidde. De derde revolutie, die uiteindelijk de schakelkast zal opruimen, staat voor de deur: een bussysteem dat elke functie die in de schakelkast gecentraliseerd wordt, overneemt – decentraal en integraal.
De schakelkast integreert schakel-, besturings-, beschermings- en beveiligingsfuncties. Belangrijk is de flexibiliteit die aan de gebruiker geboden wordt. Deze wordt tot op heden gekenmerkt door de behuizing die alle laagspanningschakelapparatuur en besturingen herbergt. Veel werd gedaan om deze componenten te standaardiseren. Daarin is men slechts ten dele geslaagd. Elke schakelkast is immers anders. Schakelkasten worden nog steeds gekenmerkt door een wirwar van draden en kabels afhankelijk van het type of merk van componenten. Er is een duidelijke behoefte aan een innovatieve standaard op systeemniveau. Systemen verbinden is de belangrijkste opdracht van elk bussysteem, en deze opgave eindigt niet voor de schakelkastdeur. De centrale schakelkast verliest meer en meer aan betekenis. Decentralisatie van elektrische functies in het veld is een absolute voorwaarde voor efficiënte en economische machines en installaties. Een sleutelpositie in deze evolutie ligt bij de gegevensoverdracht in het veld. Deze functie wordt waargenomen door het bussysteem met zijn Plug&Play-eenvoud en zijn transparante integreerbaarheid, gaande van eenvoudige 1-bit-sensoren tot complexe robotsturingen.
Vandaag de dag worden de verschillende functies voor bijvoorbeeld een motorstarter nog steeds uit afzonderlijke componenten gebouwd. Om de schakel-, bescherm-, stuur, en veiligheidsfunctie goed op elkaar af te stemmen is uitwendige bedrading vereist tussen de losse componenten in de schakelkast. De standaardisatie van de componenten heeft in de laatste jaren weliswaar tot een betere uitwisselbaarheid geleid maar heeft nog steeds niet geresulteerd in een betere systeemcapaciteit. Om de bedrading in schakelkasten te verminderen zijn praktische en nieuwe concepten nodig. De Duitse firma Phoenix Contact heeft nu zo’n concept ontwikkeld. Dit concept, het Interbus Inline systeem, is gebaseerd op een functie georiënteerde stationsopbouw. De veldbus wordt hierbij gezien als een compleet installatiesysteem waarin de centrale schakelkast niet meer voorkomt. Met volgens de fabrikant als resultaat 25 procent ruimtebesparing, 40 procent kostenbesparing en 70 procent minder opslagkosten van componenten.

Universeel installatiesysteem
Een compleet geautomatiseerd installatiesysteem dient te bestaan uit de volgende vier basisfuncties:
Þ Besturen en regelen
Þ Schakelen en afschermen
Þ Signalen verwerken en transporteren
Þ Controleren van gevaarlijke situaties
Met de huidige stand der techniek is het mogelijk signalen decentraal te verwerken waardoor het klassieke PLC I/O-niveau is verschoven van de centrale schakelkast naar het veld. Maar een groot deel van de besturing van actuatoren, de controle van motoren en de beveiliging via noodstopcircuits vindt nog steeds plaats in de centrale schakelkast. Er is dus nog geen sprake van een universeel automatiseringssysteem. Daarnaast verloopt de bedrading van voeding en veiligheidscircuits nog steeds stervormig richting de centrale schakelkast, waardoor de veldbus slechts een klein deel van zijn mogelijkheden benut. Het doel van de Phoenix-techneuten was daarom het creëren van een universeel installatiesysteem dat de veldbus gebruikt als decentralisatiemiddel en dat tevens de vier basisfuncties bevat.

Interbus Inline
Het streven om IP 65 veldcomponenten en schakelkastcomponenten te integreren in een totaal systeem voor communicatie, energietransport en veiligheidstechniek heeft geresulteerd in het Interbus Inline systeem, een modulair veldbussysteem met standaardfuncties zoals digitale in- en uitgangen, tellers, vermogensschakelaars, laagspanningsschakelsystemen, motorschakelaars, veiligheidsfuncties en besturingsklemmen. Het systeem is "fijn-modulair" wat wil zeggen dat het aantal digitale en analoge I/O-klemmen precies is af te stemmen op de behoefte van de situatie. Elke Inline module is gebaseerd op Interbus waardoor de installateur de modules niet onderling hoeft te verbinden. Door de modules op een montagerail te klikken, worden busaansluiting, voeding, veiligheidscircuit, potentiaalgroepen en zekeringen tot stand gebracht zodat het bekabelen van de schakelkast niet meer nodig is. Verder is er noodstopbedrading in het systeem geïntegreerd voor speciale Inline veiligheidsrelais.

Centrale schakelkast overbodig?
Omdat alle basisfuncties in het systeem zijn geïntegreerd, is het nu ook mogelijk samengestelde modules te verplaatsen naar het veld. Met de Inline Control Terminal module kunnen deze lokale modules worden opgewaardeerd tot decentrale intelligente stations voor individuele en autonome besturing van machineonderdelen. Op de duur zou het zelfs zover kunnen gaan dat de centrale schakelkast overbodig wordt. Wat dan overblijft is een PC met een master-controlekaart die de diverse decentrale stations in het veld aanstuurt en controleert.
Om dit alles te verwezenlijken stelt Interbus, afhankelijk van de eisen en wensen die aan een toepassing worden gesteld, drie verschillende vormen ter beschikking:
Þ Het Interbus veldbussysteem: een lange afstandsbus voor het verbinden van de stations met als medium koper of glasvezelkabel.
Þ Interbus Lokaalbus voor het overbruggen van korte afstanden tussen bijvoorbeeld automatiseringsklemmen en stations.
Þ Interbus Loop: een bus voor het laagste niveau van sensor en actuator. Het transport en de verwerking van signalen vindt hierbij plaats met universele IP 65 modules. De bus is volledig transparatnt met het hoger gelegen Interbus veldbussysteem en verzorgt naast het transport van de data ook de 24 V-voeding voor de I/O in het veld.

Softwaretool
Het consequente gebruik van één bussysteem verschaft een automatiseringssysteem een uniforme busstructuur van sensor tot besturing. Voor de gebruiker biedt dit vele kostenverlagende voordelen. Daarbij behoort o.a. een eenvoudige en algemene configurering en projectering bij service en ingebruikstelling en een effectief diagnosesysteem. Voor Interbus is daarvoor de softwaretool CMD (Configuration Monitoring Diagnostic) nodig. Deze software biedt de gebruiker de mogelijkheid het netwerk te configureren, te monitoren en bij storingen diagnoses te stellen. Mocht er een fout optreden in het netwerk, dan helpt het diagnose programma de gebruiker deze fout snel te vinden waardoor de stilstandtijd tot een minimum beperkt blijft. Met de decentralisatie van de signaalverwerking, de distributie van de energievoorziening en de integratie van een veiligheidssysteem, is het concept van een compleet installatiesysteem weeral iets dichter bij de werkelijkheid gekomen. Belangrijk hierin is de rol van de veldbus die als verbindingselement tussen de individuele velden de ruggengraat van het installatiesysteem vormt.

H.L.

Bus de terrain
colonne vertébrale du système d’installation

Le marché des bus de terrain a subi un développement remarquable. L’offre existante dans ce domaine est d’ailleurs devenue nettement plus claire depuis l’acceptation de la norme Cenelec NE 50170 et NE 50254 concernant les systèmes globaux de communication.

Les bus de terrain offrent l’avantage de réduire les coûts liés au câblage. Par la même occasion, ils établissent le lien entre le monde du contrôle et celui de l’informatique. Le bus utilisé doit être en mesure de traiter le flux d’informations entre ces deux mondes, sans pour cela perturber le flux des données sensibles à des limitations critiques dans le temps.

Au début
En 1980, on a fondé aux Etats-Unis un groupe de travail destiné à élaborer un nouveau standard digital pour l’automatisation des processus et de la fabrication. Ce standard digital était appelé à remplacer le standard 4-20 mA, mis au point en 1972. L’intention était d’utiliser la technologie digitale comme une nouvelle architecture pour assurer le contrôle des processus et l’automatisation de la fabrication. Cette nouvelle approche allait se répandre dans le monde sous l’appellation de Fieldbus. Au début des années 80, un certain nombre d’entreprises avait déjà consacré un travail intellectuel considérable aux thèmes de la communication digitale entre les instruments de mesure primaires, du système digital de régulation DCS (Distributed Control System) et de la soupape de contrôle. Les principaux acteurs dans ce domaine étaient Honeywell, Foxboro, Rosemount, Allen Bradley, General Motors aux Etats-Unis et Siemens en Europe. Ce travail intellectuel a déjà permis à l’époque la naissance de quelques produits essentiels, dont le protocole HART (Highway Adressable Remote Transducer), le système MAP (Manufacturing Automation Production) et le système Profibus (bus de processus). Il apparaissait toutefois déjà clairement à l’époque que les différentes initiatives devaient être mieux harmonisées si on souhaitait obtenir de réels résultats. C’est pour cette raison qu’ont été fondés IFC (International Fieldbus Consortium – US), Profibus et Interbus (Allemagne) et WorldFIP (France). Simultanément, on a procédé au lancement - sous la direction de l’ISA (International Society for measurement control) - du SP 50 , le standard qui a été partiellement accepté par l’ANSI (American National Standards Institute) et l’IEC (International Electrotechnical Committee). En Europe, on a fondé le groupe de travail SC 65/WG 6 de l’IEC. Ce groupe bénéficie du soutien technique de l’ISA.

Objectifs
Fieldbus est un système de communication de données qui doit permettre d’effectuer des mesures et des contrôles au niveau des processus entre différents appareillages de terrain, différents appareillages de régulation, différents appareillages de type PLC et des systèmes orientés sur le PC. Le nom de Fieldbus ne peut être utilisé que lorsqu’il soutient le standard ISA/IEC. L’objectif du système Fieldbus est de déterminer une forme plus standardisée de communications digitales pour la technique de régulation des processus et pour l’automatisation de la fabrication. On s’attend généralement à ce que le Fieldbus amènera une plus grande intelligence dans les appareillages de terrains, et particulièrement dans les appareils de mesure primaires et les soupapes de contrôle. Pour pouvoir profiter des avantages liés aux bus, il suffit que l’utilisateur décrive les exigences de son application en fonction des trois catégories suivantes de données:
Þ Les données cycliques : des données répétitives en temps réel
Þ Les données conditionnelles : les informations occasionnelles comme les signaux d’alarme
Þ Les messages : des informations communiquées occasionnellement et caractérisées par un volume considérable de données comme, par exemple, le téléchargement à distance d’un nouveau procédé.
Le premier élément essentiel d’un bus de terrain est le protocole de communication. Le protocole doit garantir que les informations cycliques critiques dans le temps ne soient pas perturbées par le flux de messages et d’événements moins prioritaires. Le second élément important d’un bus de terrain est son guide d’interopérabilité, dans lequel l’utilisateur peut faire un choix parmi les produits de différentes origines. Ce guide offre une structure globale avec possibilité de choix entre des profils généraux à complexité croissante :
Profil 1: Plug and Play
Profil 2: pour des dispositifs simples à données cycliques et conditionnelles
Profil 3: pour les dispositifs complexes à variables tant cycliques que conditionnelles, comme des messages. Le guide offre également un «compagnon» standard, à savoir une norme accompagnatrice pour chaque type de produit issu d’un domaine d’application donné. Les besoins de l’utilisateur et naturellement le pouvoir de persuasion du fabricant détermineront la technologie de bus qui sera la plus appropriée pour atteindre cet objectif.

L’armoire de distribution électrique
Après que les modules d’entrée et de sortie pour les capteurs et les activateurs aient disparus de l’armoire de distribution et soient déplacés sur le terrain, il est temps maintenant de s’occuper de la partie restante qui se trouve encore dans l’armoire de distribution. Un récent développement de cette poursuite de la décentralisation est illustré par la construction orientée vers la fonction de la station d’Interbus Inline. A l’aide de ce système d’installation, l’installateur peut optimaliser la construction de son armoire de distribution. S’il procède dans les règles de l’art, l’armoire de distribution centrale deviendra même superflue. A ce jour, l’armoire de distribution électrique a subi deux révolutions. A la fin des années’70, le PLC a remplacé les contacteurs et les relais. Au début des années’90, l’armoire de distribution centrale a été confrontée au phénomène du bus de terrain, qui a réparti les capteurs et les activateurs de façon décentralisée. La troisième révolution, celle qui évincera finalement l’armoire de distribution, se trouve à notre porte : un système de bus qui reprendra toutes les fonctions centralisées dans l’armoire de distribution - qu’elles soient décentralisées ou intégrales. L’armoire de distribution intègre les fonctions de distribution, de commande, de protection et de sauvegarde. Le facteur important est la flexibilité proposée à l’utilisateur. A ce jour, cette flexibilité est caractérisée par le boîtier abritant tous les appareillages de distribution à basse tension et toutes les commandes. D’importants efforts ont été concédés pour standardiser ces composantes. On n’y a réussi que partiellement. En effet, chaque armoire de distribution se présente différemment. Les armoires de distribution sont toujours caractérisées par un enchevêtrement de fils et de câbles en fonction du type ou de la marque des composantes. Le besoin d’un standard innovant au niveau du système est évident. Assurer la liaison entre les systèmes constitue la mission principale pour chaque système de bus, et cette tâche ne se termine pas devant la porte de l’armoire de distribution. L’armoire de distribution centrale perd de plus en plus en termes de signification. La décentralisation des fonctions électriques sur le terrain constitue une condition absolue pour les machines et installations efficaces et économiques. Une position clé de cette évolution réside dans le domaine de la transmission des données sur le terrain. Cette fonction est assurée par le système de bus grâce à la simplicité des fonctions Plug & Play et à ses possibilités transparentes d’intégration qui vont des simples capteurs à 1 bit aux commandes complexes des robots. Aujourd’hui, les différentes fonctions d’un démarreur de moteur, par exemple, sont toujours constituées de composantes séparées. Pour bien harmoniser les fonctions de distribution, de protection, de commande et de sécurité, il faut impérativement prévoir des câblages externes entre les composantes séparées dans l’armoire de distribution. Bien que la standardisation des composantes ait débouché sur une meilleure interchangeabilité au cours des dernières années, elle ne se traduit pas encore par une meilleure capacité des systèmes. Pour réduire l’importance des câblages dans les armoires de distribution, il faut trouver de nouveaux concepts pratiques. Le fabricant allemand Phoenix Contact a développé un tel concept. Ce concept, le système Interbus Inline, est basé sur une construction de la station orientée vers les fonctions. Dans ce concept, le bus de terrain est considéré comme un système complet d’installation dans lequel n’apparaît plus l’armoire de distribution. Selon le fabricant, cette approche permet une économie de 25 pour cent en termes de réduction d’espace, de 40 pour cent au niveau des coûts et de 70 pour cent en termes de frais de stockage des composantes.

Système universel d’installation
Un système automatisé d’installation complet doit comprendre les quatre fonctions de base suivantes :
Þ Commande et régulation
Þ Distribution et protection
Þ Traitement et transport des signaux
Þ Contrôle des situations dangereuses
Dans l’état actuel de la technique, il est possible de traiter des signaux de façon décentralisée ce qui provoque un glissement du niveau classique PLC I/O de l’armoire centrale de distribution vers le terrain. Une part importante de la commande des activateurs, du contrôle des moteurs et de la protection via des circuits d’arrêts d’urgence se déroule toutefois encore dans l’armoire centrale de distribution. Il n’est donc pas encore question d’un système universel d’automatisation. De plus, le câblage de l’alimentation et des circuits de sécurité s’effectue toujours en forme d’étoile en direction de l’armoire centrale de distribution, ne permettant ainsi au bus de terrain qu’une utilisation très partielle de ses possibilités. Pour cette raison, l’objectif des techniciens de Phoenix était la création d’un système universel d’installation qui utilise le bus de terrain comme moyen de décentralisation et qui contient également les quatre fonctions de base.

Interbus Inline
L’aspiration d’intégrer des composantes de terrain et des composantes d’armoire de distribution IP 65 dans un système total de communication, de transport d’énergie et de technique de sécurité a débouché sur la création du système Interbus Inline, un système modulaire de bus de terrain disposant de fonctions standards comme les entrées et sorties digitales, les compteurs, les commutateurs de puissance, les systèmes de distribution à basse tension, les commutateurs de moteurs, les fonctions de sécurité et les bornes de commande. Le système est «finement modulaire» ce qui signifie que le nombre de pines I/O digitales et analogiques peut être adapté avec précision aux besoins dictés par la situation. Chaque module Inline est basé sur Interbus ce qui permet à l’installateur de ne pas avoir à relier les modules entre eux. En cliquant les modules sur un rail de montage, on réalise la connexion du bus, l’alimentation, le circuit de sécurité, les groupes de potentiel et les fusibles sans avoir à câbler l’armoire de distribution. De plus, on a intégré des câblages d’arrêt d’urgence dans le système pour des relais Inline spéciaux de sécurité.

L’armoire centrale de distribution superflue?
Comme toutes les fonctions de base sont intégrées dans le système, il est désormais possible de déplacer des modules composés vers le terrain. Grâce au module Inline Control Terminal, ces modules locaux peuvent être transformés en stations intelligentes décentralisées pour la commande individuelle et autonome des composantes de machines. Finalement, on arrivera au point où l’armoire centrale de distribution deviendra superflue. Restera alors un PC muni d’une carte de contrôle maître commandant et contrôlant les diverses stations décentralisées sur le terrain. Pour réaliser toutes ces opérations, Interbus met trois formes différentes à disposition en fonction des exigences et des souhaits imposés à une application :
Þ Le système de bus de terrain Interbus : un bus longue distance pour assurer la liaison entre les stations avec pour médias des câbles en cuivre ou en fibres de verre
Þ Le bus local Interbus pour le pontage de courtes distances entre, par exemple, les bornes d’automatisation et les stations
Þ L’Interbus Loop : un bus destiné au niveau le plus bas de capteurs et d’activateurs. Le transport et le traitement des signaux s’effectuent alors via des modules universels IP 65. Le bus est entièrement transparent par rapport au système de bus de terrain Interbus situé plus haut et assure également l’alimentation 24V pour les I/O sur le terrain, en plus du transport des données.

Outil logiciel
L’utilisation conséquente d’un seul système de bus confère à un système d’automatisation une structure de bus uniforme du capteur à la commande. Ce procédé offre de nombreux avantages à l’utilisateur en termes de réduction des coûts. Parmi ces avantages, on compte e.a. une configuration et une projection simple et générale lors de l’entretien et de la mise en service ainsi qu’un système efficace de diagnostic. Pour ce faire, Interbus nécessite l’outil logiciel CMD (Configuration Monitoring Diagnostic). Ce logiciel offre à l’utilisateur la possibilité de configurer le réseau, de surveiller le processus et de poser des diagnostics en cas de défaillances. Au cas où une erreur se produirait au niveau du réseau, le programme de diagnostic aidera l’utilisateur à détecter rapidement cette erreur, limitant ainsi au minimum les durées d’interruption. Grâce à la décentralisation du traitement des signaux, à la distribution de l’approvisionnement en énergie et à l’intégration d’un système de sécurité, le concept d’un système complet d’installation est devenu un peu plus une réalité.

H.L