CHAPITRE 5, 5.4 Bus de terrain.

Le présent paragraphe n'est pas destiné aux seuls auditeurs de la filière Contrôle industriel. Un informaticien doit être au fait des bus de terrain.

Ces bus parfois nommés réseaux de terrain sont installés «sur le terrain» au contact direct des appareils. Même si les réseaux de commande sont capables de gérer ces appareils, leur fonctionnement est complexe et fait doter chaque capteur ou actionneur d'un processeur. Il y a donc place pour les bus de terrain, plus simples. L'IEEE 488 examiné ci-dessous dans quelques détails a été le premier d'entre eux. Il est encore utilisé mais se révèle souvent insuffisant.

L'enjeu économique est l'automatisation de la production. Son importance provoque une grande activité de normalisation qui n'a pas encore abouti. En normalisation internationale, l'ISO gère le TC 184 SC5 qui s'occupe des réseaux industriels de communication. Il a déjà abouti pour une partie du réseau Map et travaille sur les réseaux dits à «temps critique». Le CEI 65CWG6 rédige officiellement les normes futures des bus de terrain.

en France, l'UTE normalise le réseau FIP, renommé WorldFIP, à la fois réseau de commande et bus de terrain puisqu'il descend jusqu'aux actionneurs et capteurs. Les trois couches, physique, liaison et application sont normalisées. D'autres parties sont à l'état expérimental, dont une normalisation de transmission optique. La norme CEI européenne relative aux bus de terrain demandera encore quelques années de gestation. Les concepts de Fip y seront peut-être inclus. Actuellement un projet du programme Esprit, nommé Inca tend à accélérer le développement de composants Fip adaptés aux capteurs. On se reportera à l'annexe ASI0005 pour une description détaillée de FIP;
en Allemagne, le DKE normalise Profibus, voir ci-dessous;
aux États-Unis, l'ISA définit le successeur possible de l'IEE488, sous la forme d'un réseau à faible débit et petit nombre d'abonnés.

Tous ces nouveaux réseaux ou bus de terrain sont basés sur des architectures en couches. La largeur du bus est variable, de plus en plus souvent la transmission est sérielle.

Aux bus de terrain que l'on peut qualifier aujourd'hui de classiques, destinés à l'industrie, il faut ajouter les bus domotiques ou immotiques, destinés à la gestion d'équipement ménagers ou d'immeubles. C'est le cas du CEBus (Consumer electronics bus) de l'EIA. Le D2B (Domestic digital bus) de Philips est spécialisé dans l'audiovisuel domestique. On peut ajouter les bus externes d'ordinateurs comme USB à la liste.

que cette communication permet d'échanger des données qui sont difficilement transmissibles autrement;
que l'échange des données utilise un mécanisme unique.

Les autres arguments favorables sont :

la capacité à raccorder des modules divers sur la même ligne;
le parcours de distances plus grandes qu'avec un câblage traditionnel;
la réduction massive du câblage;
la variété des domaines d'application;
la réduction des coûts globaux;
la simplification de la mise en service;
la réduction des coûts d'ingénierie;
la disponibilité d'outils de mise en service et diagnostic;
la possibilité de connecter des produits de différents fabricants.

Les désavantages sont :

la nécessité de connaissances supérieures;
un investissement en équipements et accessoires supérieur;
des coûts apparemment supérieurs;
une compatibilité entre équipements de fournisseurs différents pas toujours aussi simple qu'on l'écrit.

Les trois groupes intéressés sont :

les consommateurs qui travaillent sur une installation à bus de terrain, ils ne connaissent pas forcément le ou les bus de terrain dont ils font usage;
les intégrateurs qui, à partir du matériel disponible sur le marché, réalisent des systèmes qui y ont recours;
les producteurs ou fournisseurs de bus et de produits connectables.

Avertissement :

Les bus de terrain n'ont pas une classification stricte. Des auteurs considèrent IEEE 488 comme un bus spécialisé dans les instruments de mesure.

le bus de terrain complet (full-size fieldbus);
le bus d'appareils (device bus);
le bus de capteurs (sensor bus).

Les éléments des deux dernières sont utilisés pour connecter des appareils ou capteurs qu'en anglo-saxon on qualifie d'intelligents à des contrôleurs logiques programmables (PLC) ou à des équipements frontaux d'ordinateurs. Ces communications sont habituellement périodiques et déterministes.
Les bus de terrain relient les contrôleurs entre eux ou avec des terminaux d'ordinateurs. La communication est faite par requêtes comme dans les réseaux locaux usuels (Lan).

La première version de ce bus a été créée en 1965 par Hewlett-Packard sous le nom de Hewlett-Packard interface bus : HPIB. Il était alors le seul moyen d'obtenir des débits élevés, jusqu'à 1 Mo/s. La notoriété et le poids industriel de son auteur ont été les raisons de son succès. Il a été normalisé en 1975 par l'IEEE sous le numéro 488. Une modification de cette norme a été publiée en 1987, sous le nom d'ANSI/IEEE 488.1. La même année, la norme ANSI/IEEE 488.2 a précisé la façon dont les contrôleurs communiquent. En 1990 le jeu de commandes nommé «standard commands for programmable instrumentation» a modifié la norme IEEE 488.2.

Ce bus est connu sous plusieurs dénominations sensiblement équivalentes :
HPIB Hewlett-Packard interface bus
GPIB General purpose interface bus
IEEE 488
IEC 625-1
ANSI MC1-1.

transferts : 3 lignes DAV NRFD NDAC (dit aussi synchronisation);

commandes : 5 lignes ATN REN IFC EOI SRQ;

données : 8 lignes DI01 à DI08 (DI pour Data In Out);

En sus : une ligne de masse pour chaque ligne de commande;

une ligne de masse logique générale;

une ligne de masse physique ou blindage.

Les fils de données portent selon les besoins :
. des données numériques, alphanumériques ou binaires;
. des adresses de périphériques;
. des commandes normalisées;
. des mots d'état.

Ce bus est asynchrone, il porte jusqu'à quinze dispositifs connectés.
Son protocole utilise la poignée de main.
Chaque dispositif peut être :
.source, c'est-à-dire émetteur de données, un seul est actif à un instant donné;
.puits, c'est-à-dire récepteur de données, plusieurs puits peuvent être actifs simultanément.

Il nécessite un contrôleur pour gérer les états source ou puits à chaque étape de fonctionnement. Un seul contrôleur est actif à un instant donné. Le contrôleur est un dispositif quelconque parmi les appareils connectés, processeur, carte, ordinateur ou autre.

Le connecteur est normalisé, sauf dans la norme IEC.
La prise de châssis est une femelle amphénol 57-20240, les affectations de broches sont :

Les longueurs des câbles sont normalisées 0,5m, 1m, 2m ou 4m au plus. Chaque câble porte une prise à chaque extrémité, l'une mâle, l'autre femelle.

Les signaux électriques sont compatibles TTL, en logique positive,
. l'état 1, variable vraie, est porté par une tension de 0 à 0,8v (niveau bas);
. l'état 0, variable fausse, est porté par une tension de 2 à 5v (niveau haut).

Les dispositifs ou appareils sont limités en nombre à 15, en accord avec la capacité d'adressage. Leur identification est faite par le positionnement d'un jeu de 5 inverseurs placés à l'arrière de l'appareil et qui fait partie de l'interface. Ces 5 inverseurs peuvent définir 32 adresses, on choisit donc les 15 adresses utilisables parmi celles-ci.

NRFD not ready for data : indique que les puits sont ou ne sont pas prêts àrecevoir.

Si plusieurs puits sont connectés entre eux, les NRFD et NDAC de chaque appareil sont reliés en OU câblé.

Les signaux actifs au niveau bas asservissent l'échange sur le dispositif le plus lent à répondre.

Quatre signaux, émis par le contrôleur seul, sont destinés à tous les autres dispositifs :

ATN (attention) tous les dispositifs doivent se mettre en état de puits;
IFC (interface clear) initialise tous les dispositifs à l'état de repos;
REN (remote enable) signification conditionnelle, détaillée dans le tableau ci-après;
SRQ (service request) émis par un dispositif quelconque vers le contrôleur actif est une demande en mode d'interruption.
Le contrôleur est tenu d'y répondre par une séquence d'identification du demandeur il reçoit SRA qui est un OU de toutes les demandes.

- reconnaissance par interrogations successives en série (olling);
- reconnaissance parallèle par appel simultané à plusieurs dispositifs.

EOI (end or identify) émis soit par un contrôleur soit par une source, sa signification est différente selon ces deux cas.

1 et 3 ont été décrits plus haut;
2 dialogue entre le contrôleur et un dispositif adresse qui reçoit un mot d'état forcé;
4 échange de données normal;
5 signale au contrôleur que la source a fini d'émettre.

Elles ont constituées de huit signaux bidirectionnels D101 à D108, codés en ASCII selon la recommandation du CCITT n°7 : 7 bits utiles, 1 bit de parité. Elles ont deux types possibles :
.des résultats de mesures;
.des messages émis par le contrôleur, selon la liste suivante.

L'adressage fait qu'une source ou un puits se reconnaissent par coïncidence d'adresse sur A1 à A5.

Reconnaissance en série : le contrôleur lance en série toutes les adresses des puits, chacun envoie son mot d'état au contrôleur. Une adresse globale (P1 à P3) est émise, le dispositif interrupteur doit émettre son code réduit P1, P2, P3 pour être identifié. La plupart des appareils connectables ne contiennent qu'un sous ensemble des fonctions prévues par la norme. Celles-ci sont souvent décrites sur la face arrière du dispositif par un mot comme :

SH source handshake ou source poignée de main, capacité d'émission de messages multilignes :
SH0 incapacité,
SH1 capacité.
AH acceptor handshake, capacité à recevoir des messages multilignes,
AH0 incapacité,
AH1 capacité.
T talker capacité à émettre des données et des mots d'état,
T0 incapacité,
T5 capacité complète,
T6, T7 et T8 omettent certains modes.
etc.

IEEE 488.1 simplifie l'interconnexion d'instruments programmables mais ne s'occupe pas des formats de données, des commandes de configuration etc.

IEEE 488.2 lève nombre d'ambiguïtés du précédent. Il règle la façon dont les instruments et le contrôleur coopèrent. Il définit les formats de données, les mots d'état, et la gestion des erreurs.

SCPI est une combinaison et une version plus évoluée conjointement de IEEE 488.2 test and measurement systems language de Hewlett Packard (TMSL), et d'analog data interchange format de Tektronix (ADIF). Il a été défini par le «GROUPE SCPI» qui comprend National Instruments, Bruel & Kjaer, Hewlett Packard, John Fluke Manufacturing, Keithley Instruments, Philips Test & Measurement, Racal-Dana, Tektronix et Wavetek.

Signaux : 16.
Alimentation : propre à chaque dispositif.
Bus de données 8 bits.
Adresse 15 bits.
Système d'interruption : 1 ligne.
Raccordement par câble de moins de 2 mètres.
Gestion lente et lourde.
Application instrumentation.
Compatibilités électrique et syntaxique.

Il s'agit bien d'un bus tout à fait comparable à celui d'un ordinateur dans son fonctionnement, à la différence qu'au lieu d'un câblage de type fond de panier, les appareils sont reliés par un câble de longueur plus grande et que ses performances en débit sont très faibles.

On trouvera en annexe quelques détails sur le réseau FIP et ci-après une liste et des caractéristiques de bus de terrain.