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2 / 2006

Revue de l’actualité technologiquedu Groupe ABB

www.abb.com/abbreview

RevueABB

Pioneering spirits

A revolution in high dc current measurement

page 6

Team-mates: MultiMove functionality heralds a new era in robot applications

page 26

Best innovations 2004page 43

a

Technologie des systèmes

embarquésUn concentré de solutions applicatives

Candidats à l’embarquépage 9

Réseaux de capteurs sans filpage 39

Courants porteurs en lignepage 50

La boîte de conserve est la solution idéale pour transporter et protéger une grande variété de produits. Sa simpli-cité explique en grande partie sa po-pularité. Pour l’ouvrir, il suffit d’un ouvre-boîte, outil universel par excellence.

Les systèmes informatiques ont long-temps été l’antithèse de la boîte de conserve et, même dans leurs ver-sions les plus simples, l’apanage de spécialistes. Il n’en va pas de même des systèmes embarqués où l’ordi na-teur, très discret, se charge de tout et réagit aux sollicitations de l’envi-ronnement. A l’extrême, personne ne le remarque jusqu’au moment d’ouvrir la boîte.

3Revue ABB 2/2006

Editorial

« Embedded, Everywhere » est un calendrier de recherche publié en 2001 par l’Académie des Sciences américaine qui met en lumière l’importance pour la communauté scientifi-que de la recherche en informatique embarquée. Cinq ans plus tard, l’intelligence embarquée est omniprésente. A la fin de la décennie, on comptera pas moins de trois systè-mes embarqués par Terrien, soit 16 milliards d’appareils et 40 milliards en 2020. L’Union européenne a pris l’initiative d’un mégaprojet de recherche dans les systèmes embar-qués de prochaine génération, plus concrètement sur l’inter-action des réseaux embarqués. La plate-forme technologi-que européenne, baptisée ARTEMIS1), réunit des acteurs de l’industrie et de la recherche, et bénéficie du soutien finan-cier des gouvernements et de l’UE. L’Asie n’est pas en reste, consciente du rôle crucial que jouent les technolo-gies embarquées dans la croissance économique et la prospérité. Ainsi, des pays comme le Japon, la Corée et la Chine ont lancé leur propre programme en se fixant des priorités. Tous ces efforts nationaux et régionaux visent à généraliser l’embarqué dans une multitude d’applications : industrie, infrastructures, santé, loisirs et réseaux de communication fixes et mobiles.

Mais quels sont les tenants et aboutissants de cette techno-logie ? Quels en sont les domaines d’utilisation par ABB et les défis à relever ? Dans quelle direction évolue-t-elle ? Dans ce numéro de la Revue ABB, nous posons exactement ce type de question et apportons des réponses dans la quasi-totalité des domaines de recherche et de déve lop pe-ment du Groupe.

L’informatique embarquée est une réalité depuis plusieurs décennies déjà, mais cantonnée pour l’essentiel à des applications autonomes et de petits réseaux où l’homme intervient peu. Le terme « embarqué » fait référence à la nature même de ces tâches applicatives avec des fonctions dédiées qui échappent à la perception humaine (tant que tout fonctionne correctement !). Ainsi, par exemple, ce sont plus de 20 calculateurs enfouis dans nos voitures qui opti-misent le freinage, le niveau de confort, les performances du moteur, etc. Prochaine étape : se nicher au cœur des réseaux de capteurs sous la forme de systèmes intelligents et communicants, capables d’échanger des informations entre eux, mais également avec d’autres réseaux. Leur complexité exponentielle crée un fossé technologique avec l’existant que des projets comme ARTEMIS en Europe et leurs équivalents aux Etats-Unis et en Asie ambitionnent de combler.

Deux personnalités ont été invitées à présenter les techno-logies embarquées à nos lecteurs. D’une part, le Dr Kostas Glinos, membre de la Commission européenne, décrit l’importance que l’UE accorde à cette technologie et expo-se le programme ARTEMIS. D’autre part, le Dr Richard Zurawski, président de l’ISA USA, dresse un état des lieux des composants matériels et logiciels embarqués, et décrit les tendances à venir. Cette première partie se referme sur un tour d’horizon des produits ABB intégrant des systèmes embarqués.

Nous décrivons ensuite plusieurs applications embarquées dans une série d’articles couvrant un large éventail de pro-duits. Enrichis de fonctionnalités nouvelles dès la phase de conception, ils sont source de valeur ajoutée pour nos clients. La rubrique suivante fait le point sur la communicabilité des dispositifs embarqués. Transmissions sans fil et Ether-net industriel, bus de terrain et courants porteurs en ligne : les produits ABB communiquent tous azimuts sur de multi-ples supports. Enfin, la dernière rubrique est consacrée à des applications logicielles et matérielles.

Ce large panorama de l’embarqué illustre à quel point cette technologie est un remarquable accélérateur de performan-ces pour nos clients. Rester à la pointe des connaissances dans un certain nombre de domaines en évolution rapide et aussi variés que l’informatique peu gourmande en éner-gie, le développement et la vérification des logiciels, le traitement avancé du signal et les composants FPGA, cons-titue un défi de taille pour nos équipes de R&D à travers le monde. Mais n’est-ce pas la vocation de tout chercheur ? Bonne lecture

Peter TerwieschDirecteur des technologies ABB

Technologie des systèmes embarqués

Note1) Advanced Research & Technology for Embedded Intelligece and Systems

4 Revue ABB 2/2006

Revue ABB 2/2006Technologie des systèmes embarqués

Sommaire

6Le défi des systèmes embarquésL’Europe relève le défi des systèmes embarqués, un des secteurs des technologies de l’information les plus porteurs.

9Candidats à l’embarquéEnjeux et perspectives des systèmes sur puce et des systèmes embarqués en réseau dans l’automatisation industrielle

14Technologie des systèmes embarqués chez ABB Les développeurs doivent relever de nouveaux défis pour doper les performances et enrichir les fonctionnalités des systèmes, tout en réduisant leur coût et leur taille.

18Protection rapprochéeLes technologies embarquées dans les automatismes du système électrique assurent des fonctions de protection et de nombreuses autres tâches applicatives.

23Changement de braquetCommande DTC et technologie embarquée forment un beau couple.

26Embarquement immédiatQu’ont en commun un train de voyageurs et un train de laminage ? Le contrôleur AC 800PEC qui allie flexibilité et rapidité !

30Embarquer pour mieux automatiserLe système d’automatisation étendue 800XA accueille de nombreuses applications embarquées.

35Sous haute surveillanceUn nouveau logiciel de gestion de cycle de vie exploite toute la richesse des données des variateurs de vitesse.

39Réseaux de capteurs dans filCommunication sans fil et réseau de capteurs industriels sont les champions des économies d’énergie.

43Montée en débit sur EthernetLa famille des produits compatibles Ethernet d’ABB s’agrandit

46Les variateurs embarquent aussi sur le busLes bus de terrain s’invitent dans les variateurs de vitesse.

48SOS MoteursDoper la productivité d’un moteur par un bilan de santé permanent.

50Coup de foudreHaut débit sous haute tension avec l’ETL600 d’ABB

5Revue ABB 2/2006

14

39

46

58


54Association à but créatifLe processus de développement des produits de l’activité ABB Distribution Automation s’inscrit dans un contexte de coopération internationale.

58La robotique sans peineLe kit de développement logiciel de l’interface opérateur FlexPendant simplifie la programmation sur PC des r obots.

62Flots de conceptionIl était une fois le contrôleur AC800 PEC . . .

66Sans fil et sans reprocheEn coupant le cordon, l’alimentation WISA est un vecteur de flexibilité. Les équipements difficiles d’accès sont moins chers à installer et l’électronique déportée élargit son horizon.

70Les FPGA embarquent en masseLes composants FPGA ou le mariage du matériel et du logiciel.

75Traitement de signal et systèmes embarquésDe nouveaux algorithmes pour l’instrumentation de process améliorent la qualité de la mesure et la fonctionnalité du parc d’instruments.

6 Revue ABB 2/2006

Qu’ont en commun un téléphone mo-bile, un robot industriel, un modem-câble , un lecteur MP3 et une voiture ? Ils sont tous équipés de systèmes em-barqués, un des secteurs des techno-logies de l’information les plus por-teurs. Dans un contexte de pression concurrentielle sur les prix et de rapi-dité de mise sur le marché des pro-duits innovants, les contraintes de qualité, de réduction des coûts et des délais de développement, et la com-plexité accrue des systèmes posent un réel défi.

Le défi des systèmes embarquésKostas Glinos

en particulier dans le matériel de dia-gnostic, ainsi que dans un nombre croissant de dispositifs intelligents implantés dans le corps humain. Les transports ne sont pas en reste avec une prolifération rapide des systèmes embarqués dans les voitures, les camions, les trains et les avions.

Les chiffres sont vertigineux : on esti-me que plus de 90 % des microproces-seurs se trouvent dans les systèmes embarqués, plutôt que dans nos micro-ordinateurs. En terme de valeur marchande, par exemple, le secteur automobile absorbe à lui seul près de

Plus remarquable encore est la révolu-tion moins visible des technologies embarquées que l’on retrouve au cœur d’une vaste panoplie d’équipe-ments et de systèmes dont ils enrichis-sent les fonctionnalités et améliorent les performances à faible coût. De fait, l’informatique embarquée a enva-hi la quasi totalité des produits techni-ques, des plus simples (appareils élec-troménagers) aux plus complexes (robots , automatismes et systèmes de contrôle-commande) en passant par les installations de chauffage et de climatisation, les ascenseurs, etc. Elle s’impose également dans le médical,

En moins de quatre décennies, la révolution numérique a opéré de

profonds changements dans notre vie. Des gros ordinateurs centralisés, nous sommes passés à la micro-informatique de réseau (PC et por-tables). Notre quotidien – tant au bureau qu’à la maison – est boulever-sé par le numérique qui nous permet de rester en contact avec nos amis et notre famille à travers le monde et de travailler dans une économie mon-dialisée et hautement concurrentielle. Les ordinateurs sont partout, autant dans nos activités sociales que profes-sionnelles.

L’Europe est un leader mondial des technologies embarquées pour l’aérospatiale, l’automobile, la produc-tion manufacturière, le médical, les communications et l’électronique grand public. Or sa position est mena-cée par la concurrence mondiale, la fragmentation de l’offre et l’absence de coordination entre les industriels. Pour conserver sa longueur d’avance, elle doit investir massivement dans des programmes de recherche et développement (R&D) ciblés.

Pour soutenir ce secteur, la Commis-sion européenne est partie prenante au mégaprojet ARTEMIS, plate-forme technologique créée à l’initiative de plusieurs acteurs européens de l’industrie et de la recherche dans les systèmes embarqués où l’UE est en position de force.

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7Revue ABB 2/2006

Le défi des systèmes embarqués

5 % du marché mondial des semi-conducteurs (soit environ 200 mil-liards d’euros en 2005).

Encore plus spectaculaire, le surcroît de valeur qu’apportent les systèmes embarqués à de nombreux produits. Ainsi, ils représentent aujourd’hui 20 % de la valeur totale d’une voiture standard, chiffre qui devrait atteindre 36 % en 2009. A cet horizon, l’électro-nique et le logiciel embarqués comp-teront pour 22 % de la valeur des systèmes d’automatisation industrielle, 41 % de celle de l’électronique grand public et 33 % du matériel médical.

Le rythme annuel de croissance dé-passe actuellement 10 % dans tous les secteurs d’application ; en 2020, le nombre de puces embarquées devrait dépasser les 40 milliards.

Grâce aux avancées marquantes des semi-conducteurs – technologie tirée par la demande de produits et services innovants aux fonctionnalités accrues à moindre coût – les systèmes embar-qués constitués dans les années 80 et le début des années 90 de processeurs monolithiques simples et autonomes sont aujourd’hui devenus des systèmes plus élaborés à multiprocesseurs. Re-vers de la médaille : ils sont sans cesse plus complexes et difficiles à conce-voir, tester et vérifier ; souvent inter-connectés, ils deviennent également plus vulnérables. Leur réelle inter-opérabilité est entravée par l’absence de standards ouverts et consensuels, et de middleware ad hoc. Alors que de nombreux travaux de développe-ment restent sectoriels, d’importantes

synergies intersectorielles existent qui ne sont pas exploitées. De surcroît, on manque d’ingénieurs formés dans des domaines comme, par exemple, l’archi-tecture des systèmes. Ces problèmes doivent être résolus. Pour sa part, l’industrie européenne prévoit d’inves-tir plus de 22 milliards d’euros par an dans des programmes de R&D d’ici à 20091), soit près de deux fois plus qu’en 2003.

Face à ce constat et consciente du rôle crucial de l’embarqué pour les secteurs industriels clés (automatisa-tion industrielle, matériel médical, automobile et avionique), la Commis-sion européenne a décidé de consa-crer une part de son programme sur les technologies de la société de l’information (TSI) à la recherche sur les systèmes embarqués. Rien que pour les trois dernières années, elle a investi 140 millions d’euros dans des projets collaboratifs tripartites – indus-trie, académique et recherche – cen-trés sur la conception des systèmes, les systèmes à sécurité critique, l’informatique embarquée, les plates-formes middleware, les réseaux de capteurs sans fil ainsi que les systè-mes de contrôle-commande répartis et hybrides. La technologie embarquée constitue également un des six piliers de la recherche dans les TIC du 7ème programme cadre de la Commission européenne qui sera lancé en 2007.

En 2004, la plate-forme technologique ARTEMIS (Advanced Research and Technology for EMbedded Intelligence and Systems) fut créée à l’initiative d’industriels pour soutenir la position de leader mondial de l’UE dans la conception, l’intégration et la com-mercialisation de systèmes embar-qués2). Son programme, détaillé dans le document « Building ARTEMIS » et signé par 20 dirigeants d’entreprises européennes, vise à établir et mettre en place une stratégie européenne cohérente et intégrée dans le domaine des systèmes embarqués couvrant tous les aspects et fixant notamment les priorités en matière de R&D et d’infrastructures de recherche, et de

politique de normalisation et de for-mation. Ce programme a récemment été publié sous la forme d’un agenda de recherche stratégique ARTEMIS.

Le moteur d’ARTEMIS est la vision d’une société du tout-numérique où les systèmes, machines et objets sont communicants et autogérés. Cette vision se concrétisera par des avancées dans les technologies des systèmes embarqués et leur diffusion à grande échelle, non seulement dans l’indus-trie et les services, mais également dans toutes les activités humaines. Ces développements auront des répercus-sions importantes sur la société et l’économie : Notre vie, sa sécurité et sa protec-tion dépendront de plus en plus des systèmes embarqués ;

La compétitivité de l’industrie euro-péenne dans pratiquement tous les

Notes1) Etude FAST « Worldwide Trends and R&D Program

in Embedded Systems in view of maximizing the

impact of a Technology Platform in the area »2) http://www.cordis.lu/ist/artemis/index.html

ARTEMIS – Plate-forme technologique commu-ne européenne pour les systèmes embarqués

Music center (Nokia)

Cockpit de l’A380 (Airbus)

8 Revue ABB 2/2006

Le défi des systèmes embarqués

secteurs reposera sur la dynamique d’innovation dans les systèmes embarqués ;

Au vu de l’importance croissante des systèmes embarqués comme outils de productivité, ces technolo-gies joueront un rôle critique dans le comblement du retard actuel de productivité entre l’Europe, les Etats-Unis et l’Asie.

Maintenir une position de leader dans les technologies de l’embarqué néces-sitera d’investir massivement dans des programmes de R&D ciblés et collabo-ratifs. Si financer et stimuler la R&D sont indispensables, cela ne suffit pas. ARTEMIS facilitera et aiguillonnera la réussite de l’Europe dans les systèmes embarqués en créant un environne-ment propice à l’innovation et au développement technologique dans un double contexte de coopération et de compétition. Il favorisera égale-ment activement l’émergence de nou-

veaux acteurs industriels proposant composants, outils et méthodologies de conception pour les systèmes em-barqués, et focalisera la R&D sur une utilisation plus efficace des ressources pour éviter l’atomisation du marché et faciliter leur déploiement.

Les technologies embar-quées se retrouvent au cœur d’une vaste pano-plie d’équipements et de systèmes dont ils enri-chissent les fonctionnali-tés et améliorent les per-formances à faible coût.

Alors que les systèmes embarqués à vocation spécifique sont générateurs de valeur pour les clients, chaque pro-jet et produit pouvant être très renta-ble, les marchés restent désordonnés en termes d’offre et de financement de la R&D. La stratégie ARTEMIS vise à défragmenter le secteur pour doper l’efficacité du développement techno-logique tout en facilitant l’émergence d’une offre concurrentielle.


La conception, le développement et l’utilisation de systèmes spécifiques seront des générateurs de valeur pour la plupart des produits et des services de la société de l’information du futur. Au cours des dernières décennies, l’Europe s’est imposée sur ce plan no-tamment dans les téléphones mobiles, les systèmes dédiés pour les transports et l’aérospatiale, et le génie industriel. ARTEMIS ambitionne d’exploiter au maximum les atouts de l’Europe tout en étant pleinement conscient des points forts des concurrents mondiaux. Ce mégaprojet européen lèvera les barrières entre les secteurs d’applica-tion, stimulant ainsi la créativité, la réutilisation et la valorisation des résultats dans de multiples domaines.

Je suis convaincu qu’en créant un envi-ronnement qui favorise et soutienne l’innovation dans les systèmes embar-qués et en ciblant nos ressources en R&D pour atteindre des objectifs con-sensuels et ambitieux, non seulement nous maximiserons notre impact en terme de compétitivité industrielle, mais nous améliorerons également la qualité de vie, la sécurité et la protec-tion de tous. Nous ne pourrons réussir que si toutes les parties prenantes – secteurs public et privé, industriel et académique – travaillent en étroite col-laboration en maintenant le cap. Les progrès rapides réalisés au cours de l’année passée prouvent que nous som-mes partis dans la bonne direction et que cet effort collectif portera ses fruits.

Kostas Glinos

Commission européenne

Les opinions exprimées ici sont celles de l’auteur et

ne reflètent pas nécessairement la vision officielle de

la Commission européenne sur le sujet.

Kostas Glinos a rejoint la Commis-sion européenne en 1992 et dirige aujourd’hui l’unité Systèmes em-barqués du programme TSI. Aupa-ravant, il a travaillé pour plusieurs entreprises internationales et orga-nismes de recherche aux Etats-Unis, en Grèce et en Belgique. Il détient un doctorat de génie chimique doublé d’une maîtrise de gestion financière.

Kostas Glinos

Concept car (DaimlerChrysler) Ambiance feutrée (Philips) Composants embarqués

Robot industriel (ABB)

9Revue ABB 2/2006

Candidats à l’embarqué Enjeux et perspectives des systèmes sur puce et des systèmes embarqués en réseau dans l’automatisation industrielleGrant Martin, Richard Zurawski

Philips

Les progrès accomplis par l’industrie du silicium et l’arrivée en force de nouveaux outils de conception élargissent le spectre d’applications des systèmes embar-qués (SE). Ceux-ci ne sont plus constitués de jeux de composants implantés sur une carte imprimée, mais de systèmes complets intégrés sur une seule puce. Ces « systèmes sur une puce » (SoC pour Systems on Chip), construits par assemblage de composants virtuels ou « blocs de propriété intellectuelle IP », gagnent l’automatisation industrielle pour réaliser des appareils de terrain dont l’intelligence n’a d’égale que la complexité. Cette évolution s’accompagne d’une approche « plate-forme » facilitant la conception et la vérification des SoC complexes par la réutilisation de blocs IP matériels et logiciels validés. Autre grande tendance, le déploiement de systèmes embarqués en réseau.

10 Revue ABB 2/2006

Candidats à l’embarqué

Les SoC révolutionnent la concep-tion des circuits intégrés en tirant

parti de l’évolution des techniques d’intégration sur silicium des princi-paux éléments et sous-ensembles d’un système électronique sur une même puce ou jeu de composants (chipset) [1]. Ces avancées ont séduit les concep-teurs de circuits complexes, en leur assurant une capacité d’intégration maximale pour satisfaire leurs critères de performance, consommation, coût et surface. Forts de ces atouts, les SoC figurent sans conteste parmi les princi-paux vecteurs de développement de l’embarqué temps réel.

Un SoC peut se définir comme un cir-cuit intégré complexe regroupant sur une seule puce les principaux blocs fonctionnels d’un produit complet. A l’heure actuelle, les SoC les plus aboutis réunissent au moins un pro-cesseur programmable et, très sou-vent, un processeur de contrôle à

architecture RISC ainsi qu’un proces-seur DSP (Digital Signal Processor). Ils intègrent également des structures de communication, elles aussi sur sili-cium (un ou plusieurs bus processeurs et bus périphériques, parfois complé-tés d’un bus système à haut débit). Un empilement de mémoires locales et des liaisons avec la mémoire exter-ne sont cruciaux pour les processeurs SoC. La plupart des applications de traitement du signal bénéficie en outre d’un accélérateur matériel permettant de booster le circuit tout en modérant sa consommation. Pour s’interfacer avec le monde extérieur, un SoC dis-pose de blocs de traitement périphéri-que, constitués de composants analo-giques et d’interfaces numériques (bus système sur carte ou fond de panier, par exemple). Les SoC du futur pour-raient bien intégrer des capteurs/ac-tionneurs micro-usinés ou des labos sur puce, spécialistes de l’analyse chimique 1 .

Tout SoC digne de ce nom intègre des composants matériels et logiciels : processeurs programmables, systèmes d’exploitation temps réel (RTOS) et autres éléments logiciels conditionnés par le matériel. Concevoir et mettre en œuvre des SoC ne se résument donc pas à une question matérielle ; entrent également en compte la conception et le développement au niveau système, les compromis et le partitionnement entre logiciel et maté-riel, ainsi que l’architecture, la con-ception et l’implantation logicielles.

Système sur puce programmableLes SoC ont depuis peu élargi leur champ d’action. Aux implantations en circuits sur mesure, spécifiques (ASIC) ou standards dédiés (ASSP), succèdent aujourd’hui de complexes puces logi-ques reconfigurables dotées de pro-cesseurs embarqués. Sont aussi inté-grés des blocs IP applicatifs (proces-seurs, mémoires ou fonctions spécifi-ques), d’origines tierces, en vue de conceptions uniques.

Ces FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sont proposés par plusieurs grands noms du secteur comme Xilinx (Virtex-II PRO, Virtex-IV) et Altera (SOPC). Leur but ? Associer une bonne dose de logique programmable à des processeurs à jeu d’instructions réduit RISC embarqués pour donner des combinaisons extrêmement souples et adaptables de traitement matériel et logiciel dédié à un problème de conception. Des algorithmes conte-nant de grandes quantités de logique de commande et de calcul de flux de données peuvent être partitionnés dans le processeur de contrôle RISC avec la logique reconfigurable pour accélérer le matériel. Même si la solu-tion ne garantit pas les meilleurs ré-sultats en termes de performance, de consommation ou de coût (comparée, à fonctionnalités égales, aux circuits sur mesure ou ASIC/ASSP), elle offre beaucoup de souplesse pour modifier la conception in situ et éviter les im-portants coûts d’ingénierie non récur-rents (NRE). De nouvelles applications et interfaces, et des algorithmes amé-liorés, peuvent alors être téléchargés dans les produits déjà validés.

L’offre du secteur inclut d’autres cœurs de traitement et d’interface :


1 SoC pour applications grand public

Accès mémoire externe

FlashRAMDMA

Cacheinstructions

Cachedonnées

Microprocesseur DSP

Bus périphérique

PLL

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PCI

USB

Pont

Codec audio

RAMFlash

Cachedonnées

Cacheinstructions

Bussystème

Décodage MPEG

Interface vidéo

Contrôleurde disque

100 base-T

11Revue ABB 2/2006


unités MAC de multiplication-accumu-lation visant des applications DSP de traitement d’images et de signaux, inter faces série à grande vitesse pour les communications filaires comme les noyaux SerDes (sérialiseurs/désé-rialiseurs). En ce sens, les systèmes sur puce programmables ne sont ni vraiment spécifiques, ni totalement génériques.

Ces SoC associent une bonne dose de logique programmable à des processeurs à jeu d’instructions réduit RISC embarqués.

Reste à savoir si ces SoC gagneront les applications de grande diffusion ou devront se cantonner à deux cré-neaux: d’un côté, le prototypage rapi-de de conceptions appelées à être i mplantées en ASIC ou ASSP, de l’autre, la réalisation de circuits haut de gamme destinés à des architectures de communication privilégiant la sou-plesse opérationnelle au détriment des coûts et de la consommation d’éner-gie, à performances moindres.

Des formes intermédiaires se profi-lent : c’est le cas des matrices logiques programmables métal prédiffusées, associées à des sous-systèmes proces-seurs entièrement conçus et optimisés pour une technologie donnée (hard cores) et autres cœurs (plates-formes d’ASIC structurés RapidChip de LSI Logic et Instant Silicon Solution Plat-form de NEC Electronics), à la croisée des chemins entre masques complets et réseaux FPGA. La rançon ? Des temps de conception comptés en semaines et non plus en jours, des coûts NRE plus élevés que la solution FPGA (tout en restant bien inférieurs à ceux d’un jeu de masques complet), mais aussi des performances, des coûts et une consommation plus avan-tageux que les FPGA (estimés à seule-ment 15 à 30 % inférieurs à l’approche ASIC). D’autres offres hybrides inté-ressantes, comme les circuits ASIC/ASSP intégrant des régions FPGA, élargissent le choix des équipes de conception. Variante prometteuse : l’association d’un processeur reconfi-

gurable, partiellement implanté dans le silicium, et d’une région FPGA utili-sée pour les extensions du jeu d’ins-tructions et autres implantations maté-rielles in situ. Le fondeur Stretch Inc., par exemple, s’appuie sur le proces-seur configurable LX de la société Tensilica pour bâtir ce type de plate-forme SoC 2 .

Place aux architectures reconfigurablesCes dernières années ont été mar-quées par une intégration poussée de la conception des SoC complexes et une réutilisation intensive de leurs composants virtuels IP: c’est la «concep-tion basée sur une plate-forme» [1, 2]. Planifiée, la méthodologie entend réduire le temps, l’effort et le risque de développement et de vérification des SoC complexes par la réutilisation systématique des IP matériels [3] et logiciels [4]. A une différence près: celle-ci n’opère plus au niveau des sous-blocs du SoC, mais du SoC lui-même et de ses assemblages d’IP. Cette architecture, associée à des bibliothèques de composants vir -tuels matériels/logiciels applicatifs, validés et caractérisés, constitue une plate-forme d’intégration SoC réutili-sable.

Plusieurs raisons expliquent l’adhé-sion croissante des industriels à cette conception sur plate-forme : gains de productivité, réduction du risque, facilité d’utilisation de composants virtuels pré-intégrés à partir d’autres espaces de conception, réutilisation d’architectures SoC émanant d’experts. Parmi ces solutions industrielles, citons des plates-formes totalement applicatives destinées à des marchés spécifiques, telles que Nexperia de Philips et OMAP de Texas Instruments [5], les plates-formes SOPC reconfigu-rables et les plates-formes processeur. Ces dernières (dont celles utilisant plusieurs processeurs Tensilica optimi-sés pour l’application ou la plate-for-me PrimeXsys d’ARM) sont centrées sur le processeur, son architecture de bus et ses périphériques élémentaires, de même que sur le RTOS et les pilo-tes logiciels de rigueur.

Ces plates-formes FPGA et SOPC s’ap-parentent à des « métaplates-formes », c’est-à-dire à des plates-formes capa-bles de créer à leur tour des plates-formes. Elles sont bâties sur un socle de fonctionnalités plus génériques et de processeurs IP embarqués, de bus sur silicium, de blocs IP spéciaux (MAC, SerDes . . .) et d’une panoplie


2 Architecture du processeur LX de Tensilica

Lecture/Décodage d‘instructions

Pipelines d‘exécution parallèleFLIX personnalisables (largeur N)

Pipeline d‘exécution ISA de base

Commandes processeur

Trace/TJAG/OCD

Interruptions, points d‘arrêt et temporisations

Mémoiresd‘instructions

locales

Interface bus externe

Mémoires de données locales

Interface mémoires locales Xtensa

Fichier de registres

UAL de base

Unités d‘exécution optionnelles

Moteur DSPVectra LX

Unité de charge-ment/stockagedes données

Unité de chargement/stockage n° 2

Uni

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Unité d‘exécution personnalisable

Interface processeur (PIF) vers bus système

Files d‘attente person-

nalisables/Ports

jusq‘à 1 Mde broches

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Caractéristiques ISA de base Fonctions configurables Fonctions en option En option et configurable Fonctions définies par le concepteur (TIE)

12 Revue ABB 2/2006


d’IP pré-qualifiés. Les concepteurs peuvent se fournir chez Xilinx et Altera, adapter leur métaplate-forme au domaine visé en ajoutant des bibliothèques IP applicatives, puis confier le tout à d’autres équipes.

Systèmes embarqués en réseauUn autre facteur important dans l’évo-lution des technologies embarquées est l’apparition de systèmes distribués, souvent qualifiés de SE « en réseau » pour souligner l’importance du proto-cole et de l’infrastructure de commu-nication. Un SE de ce type est consti-tué de nœuds disséminés, tant sur le plan topologique que fonctionnel, em-pruntant des supports et protocoles filaires et/ou sans fil pour dialoguer avec leurs homologues et leur envi-ronnement (via des capteurs et action-neurs). Il peut aussi comporter un nœud « maître » chargé d’orchestrer les tâches de traitement et de communi-cation à visées spécifiques.

Les contrôleurs embarqués dans ces nœuds (« appareils de terrain » de type capteurs/actionneurs) assurent d’ordi-naire la conversion du signal, le traite-ment du signal et des données, ainsi que la communication. L’explosion de leurs fonctionnalités et capacités de traitement et de communication a per-mis de fédérer ces appareils sur des bus spécialisés ou « réseaux de terrain » (liaisons numériques bidirectionnelles multipoints [6]), avantageux à plus d’un titre : flexibilité accrue par l’asso-ciation de matériel et de logiciel em-barqués, gain de performances, facili-

té d’installation, de mise à niveau et de maintenance du système.

Ces dernières années ont été marquées par une intégration poussée de la conception des SoC complexes et une réutilisa-tion intensive de leurs composants virtuels IP : c’est la « conception basée sur une plate-forme ».

Ces SE en réseau se retrouvent dans une grande variété d’applications comme l’automobile, le ferroviaire, l’avionique, le tertiaire, le bâtiment et le contrôle-commande industriel. Ils peuvent prendre la forme de réseaux reliant des capteurs et actionneurs à des automatismes (API dans l’industrie ou ECU dans l’automobile). Ils inves-tissent également les interfaces homme-machine : afficheurs de tableau de bord automobile, superviseurs d’auto-matismes industriels (SCADA). Ces réseaux locaux industriels (RLI) sont aussi variés que leurs domaines d’acti-vité. Citons, par exemple, PROFIBUS/PROFInet et Ethernet/IP (tout deux temps réel) en automatisation et contrôle-commande industriels ; LonWorks, BACnet et EIB/KNX dans le bâtiment ; CAN, TTP/C et FlexRay dans l’automobile ; TCN dans le ferro-viaire. Sujets à de multiples contrain-tes applicatives (temps réel dur/mou,

sécurité, topologie . . .), les RLI récla-ment une multitude de solutions et de protocoles fondés sur des principes d’exploitation différents. D’où l’offre pléthorique de réseaux « métiers » [6] 3 .

Soumis à des règles de communica-tion dictées par l’application, ces RLI, contrairement à leurs homologues d’entreprise (RLE), acheminent de petits paquets de données à faibles débits et nécessitent généralement des capacités temps réel avec des délais de transfert déterministes ou « bornés ». Pour autant, des débits supérieurs à 10 Mbit/s, habituels en RLE, n’ont aujourd’hui rien d’exceptionnel pour les RLI. Les réseaux de terrain em-ployés en automatisation industrielle (à la différence de ceux utilisés en GTB) n’ont guère besoin de fonctions de routage ou de contrôle de bout en bout ; aussi se contentent-ils des couches Physique1), Liaison de don-nées (dont la sous-couche MAC de gestion d’accès au support) et Appli-cation du modèle OSI [7].

La maîtrise des temps de réponse ou « déterminisme » appelle des méthodes d’ordonnancement adéquates qui sont fréquemment implantées dans des RTOS spécifiques à l’application ou des exécutifs temps réel « dépouillés », taillés sur mesure.

Les SE en réseau utilisés dans des applications critiques de sécurité (adoptant des solutions mécatroniques de type tout électrique ou tout élec-tronique pour remplacer les systèmes mécaniques ou hydrauliques) doivent garantir un fonctionnement sans faille. Ce passage au numérique trouve des exemples dans l’aéronautique avec la suppression de la tringlerie de com-mande (fly-by-wire) et dans l’automo-bile avec la direction tout électrique (steer-by-wire), dès qu’il faut protéger la vie humaine, l’installation ou l’envi-ronnement. Pour parer à tout danger, des services fiables et sûrs doivent être fournis à la demande de l’utilisa-teur ; la sûreté de fonctionnement des commandes tout électriques et leur adoption obligatoire figurent au premier rang de ces exigences.

3 Architecture type d’un réseau de terrain industriel

Control network

Field areanetwork

(Fieldbus)

motor

switchgear drives instrument

controller

I/O modules


Note1) Cf. représentation du modèle OSI en figure 1, p. 47

13Revue ABB 2/2006


Si les réseaux de terrain sont en majo-rité câblés, le sans-fil (solutions mixtes filaires/sans fil incluses) offre d’ambi-tieuses perspectives pour un certain nombre d’applications. En automati-sation industrielle, notamment, les réseaux de capteurs/actionneurs sans fil peuvent apporter une aide à la mobilité des robots, par exemple, tout comme au contrôle-commande d’équi-pements installés en milieux extrêmes et difficiles d’accès. Une catégorie à part est formée par les réseaux de capteurs sans fil destinés aux applica-tions de surveillance.

Des pistes de progrès semées d’embûchesLa conception de SoC performants et parfaitement « débogués » et, en parti-culier, de multiprocesseurs sur puce (MPSoC) combinant les avantages du parallélisme et de la haute densité d’intégration, ouvrent de nombreux horizons à la filière. Parmi d’autres domaines porteurs, citons le test des cœurs embarqués dans les SoC, les puces à gestion d’énergie, la sécurité des SE et le développement de systè-mes distribués critiques à transmission numérique (x-by-wire) [8] . . .

L’accroissement de la densité d’inté-gration et des fréquences de fonction-nement des circuits, de même que l’utilisation de conceptions SoC, décu-plent les quantités de données à tester sur les CI embarqués à base de cœurs. Réduire volumes et délais figure parmi les grands défis du test de puces. Autre difficulté, le fossé entre la puis-sance de travail des SoC et la relative faiblesse des outils automatiques (ATE) proposés aux concepteurs ; d’où l’importance du test à fréquence maxi-male (notamment des circuits haute vitesse) pour pallier les baisses de rendement ainsi que les coûts exorbi-tants de la vérification fonctionnelle manuelle et des testeurs rapides d’un grand nombre de broches.

Les contraintes thermiques, dues à la densification et à la vitesse des cir-cuits, se répercutent sur leur coût d’encapsulation et de refroidissement, sans compter leur fiabilité et leur lon-gévité. Ces facteurs, que renforcent l’alimentation sur pile des appareils et la course à la miniaturisation, font de la conception en vue d’une consom-

mation réduite une priorité des SE. Les techniques et méthodes de réduc-tion des dissipations statiques et dyna-miques privilégient plusieurs axes : l’optimisation au niveau système/ap-plicatif, qui explore les implantations de tâches obligeant à un arbitrage entre puissance/énergie et qualité de service ; les sous-systèmes de traite-ment économes en énergie (gestion de la tension et de la fréquence, ges-tion dynamique des ressources, choix du cœur de processeur) ; les sous-systèmes mémoires économes en énergie (optimisation des hiérarchies de caches, partitionnement horizontal et vertical des caches, gestion dynami-que des mémoires).

Les bandes passantes relativement limitées des contrôleurs de dispositifs embarqués (appareils de terrain indus-triels, par exemple) en termes de cal-cul, de mémoire et de communication posent d’immenses défis à la mise en place de politiques efficaces de sécu-rité qui, en général, sont gourmandes en ressources. L’adoption des grands

protocoles cryptographiques, même dans leurs versions OEM, reste limi-tée. Les systèmes d’exploitation tour-nant sur de petits contrôleurs se bor-nent à réaliser des services sommai-res, sans assurer d’authentification ni de contrôle d’accès pour protéger les appareils sensibles et vitaux. De même, le besoin croissant d’accéder à distance aux données de production expose les systèmes d’automatisation à la menace d’attaques électroniques pouvant compromettre l’intégrité des systèmes et la sécurité du site. Enfin, les exigences de disponibilité du système et de l’installation rendent impossible ou trop risquée la mise à jour des logiciels de sécurité implan-tés dans les appareils de terrain.

Grant Martin

Tensilica (USA)

[email protected]

Richard Zurawski

ISA (USA)

[email protected]

Bibliographie

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A. McNelly, L. Todd: Surviving the SoC Revolution:

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Manual for System-on-a-Chip Designs. Kluwer

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(Second Edition), 2002 (Third Edition).

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Revolution: Experiences in Real Design. Kluwer

Academic Publishers, 2003.

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[8] R. Zurawski (ed.): Embedded Systems Handbook.

Taylor & Francis, 2005.

Ce mathématicien, diplômé de l’université canadienne de Water-loo, fut un collaborateur des sociétés Burroughs (Ecosse), BNR/Nortel (Canada) et Cadence Design Systems (San Jose, Califor-nie) avant de rejoindre, en 2004, Tensilica dont il est aujourd’hui Directeur de la Recherche.

Grant Martin


Diplômé en génie électrique, docteur en informatique et président de l’ISA USA, Richard Zurawski a mené une double carrière de responsable d’entre-prises de San Francisco et du Japonais Kawasaki Electric, et d’enseignant à l’Institute of Indus-trial Sciences de l’université de Tokyo. Il a également signé plusieurs ouvrages sur les techno-logies de l’information.

Richard Zurawski

Revue ABB 2/2006

Les technologies sous-jacentes pro-gressant, les systèmes embarqués s’immiscent dans un nombre crois-sant de produits et applications ABB dont ils dopent les performances et enrichissent les fonctionnalités tout en réduisant les coûts et la taille. Si l’utilisateur en tire des avantages, la complexification des systèmes embarqués pose de nouveaux défis aux développeurs. Dans cet article, nous décrivons brièvement l’utilisa-tion et le champ d’application des systèmes embarqués dans nos pro-duits d’énergie et d’automatisation, pour ensuite examiner les défis pré-sents et futurs.

14

Technologie des systèmes embarqués chez ABB Christoffer Apneseth

15Revue ABB 2/2006

Technologie des systèmes embarqués chez ABB

Les systèmes embarqués sont des ordinateurs

dédiés totalement intégrés et enfouis dans les appareils qu’ils servent ou qu’ils com-mandent. Si cette définition satisfait le plus grand nom-bre, elle ne permet pas de comprendre leurs spécificités.

Vous avez dit embarqués ?Pour bien saisir l’apport de cette technologie, posons deux questions.

Primo : en quoi les systèmes embarqués diffèrent-ils des ordinateurs à vocation géné-raliste ? En fait, c’est selon . . . Par définition, un système embarqué est conçu d’origine pour une série de tâches prédéfinies, de la plus simple – surveiller le bon fonc-tionnement d’un interrupteur électri-que – à la plus complexe – comman-der les axes d’un puissant robot indus-triel hautement flexible. En l’occurren-ce, les deux solutions seront très diffé-rentes. La première sera optimisée pour une production de masse à très faible coût et l’exécution d’un petit nombre d’algorithmes prédéfinis alors que la seconde devra calculer des tra-jectoires complexes et programmables, et transformer les signaux de comman-de des moteurs du bras du robot.

Secundo : pourquoi avons-nous besoin des systèmes embarqués ? Les ordina-teurs comme les PC sont beaucoup trop chers pour la majorité des pro-duits qui hébergent une forme de technologie embarquée. De surcroît, une solution générique serait incapa-ble de satisfaire des besoins de per-formance ou des contraintes fonction-nelles : faible consommation énergéti-que, compacité, fiabilité ou caractéris-tiques temps réel.

Où se nichent les systèmes embarqués ?ABB est un acteur de premier plan des technologies de l’énergie et de l’auto-matisation depuis plus d’un siècle.

Certains concepts sous-jacents de ces technologies évoluent très lentement. Ainsi, les transformateurs de puissan-ce modernes fonctionnent selon le même principe qu’aux premiers jours

du transport de l’énergie électrique. De même, en dépit de progrès im-menses dans les technologies de com-mutation et dans la science des maté-riaux, les disjoncteurs mettent en œuvre les mêmes fondements depuis une cinquantaine d’années. Dotés de puissants petits microcontrôleurs peu coûteux, les composants embarqués s’invitent également dans des produits éprouvés où ils surveillent, protègent ou commandent la fonction première du produit. Par rapport aux autres technologies, l’embarqué réalise ces fonctions à moindre coût ou offre un supplément de valeur ajoutée.

D’autres familles de produits propo-sées par ABB n’existeraient pas sans les systèmes embarqués. Ainsi, les systèmes de contrôle-commande dis-

tribué qui automatisent et pilotent en toute sécurité les grands sites industriels com-plexes comme les raffineries de pétrole, les centrales d’énergie ou les usines à papier. A ses débuts, l’auto-matisation industrielle utilisait la logique à relais pour réali-ser des fonctions simples de commande. Avec la commer-cialisation des circuits intégrés et des premiers microcontrô-leurs dans les années 70 et 80, les automates programma-bles industriels (API) ouvri-rent la voie à une logique de commande plus complexe. Aujourd’hui, le système d’automatisation étendue

IndustrialIT 800xA d’ABB fédère des appareils de terrain intelligents et lar-gement distribués avec les fonctions des systèmes en amont de la hiérar-chie industrielle pour optimiser les performances de l’outil de production et du procédé lui-même.

Le logiciel d’un système embarqué moderne peut compter des centaines de milliers de lignes de code.

Les défis de l’embarqué pour les applications industriellesCe numéro de la Revue ABB présente un large éventail de produits et solu-tions ABB qui font appel aux techno-logies de l’embarqué pour relever des défis et saisir des opportunités. Or, si de nombreux avantages et contraintes sont propres à tous les types de systè-me embarqué – coût, taille, etc. –, l’embarqué industriel pose des défis particuliers.

Contraintes de l’embarqué industrielSi les exigences varient énormément d’une application à l’autre, certaines sont spécifiques à la sphère industrielle : Disponibilité et fiabilité Sécurité Temps réel (déterminisme) Consommation énergétique Durée de vie

Disponibilité et fiabilitéLes systèmes d’automatisation et d’énergie doivent offrir une disponibi-

Technologie moderne des transformateurs

Installation d’une instrumentation avancée sur site


16 Revue ABB 2/2006


lité très élevée et être extrê-mement fiables pour minimi-ser les coûts d’exploitation (réduction des interventions de maintenance program-mées ou non).

SécuritéAlors que les clients imposent des contraintes de qualité et de fiabilité à la plupart de leurs systèmes embarqués, devoir redémarrer, par exem-ple, un assistant personnel (PDA) à la suite du plantage d’une application du système n’est pas forcément très gra-ve. A l’inverse, les consé-quences de la défaillance d’un équipement industriel peuvent être désastreuses. En effet, une fuite de gaz sur une plate-forme pétro-lière doit impérativement être détectée pour arrêter en toute sécurité le procé-dé et éviter de mettre en danger des équipements de grande valeur ou la vie humaine. De même, l’instabilité des réseaux de transport et de distribution électrique doit être détectée avant même qu’elle ne se propage et n’entraî-ne une coupure générale. Le poids éco-nomique de telles infrastructures et la sécurité des personnes posent le pro-blème de l’intégrité de ces systèmes. ABB utilise les technologies embar-quées pour des applications aussi criti-ques et recourt à des méthodologies de conception et des processus de déve-loppement pour tester et certifier l’inté-grité de ses produits.

Temps réelLa notion de temps réel est souvent associée aux systèmes embarqués. Parce qu’ils commandent ou sur-veillent des procédés temps réel, ils doivent être capables de répondre de manière fiable à certaines sollicitations dans un temps imparti. Or cette notion de temps réel varie selon l’application : une réaction chimique peut évoluer lentement et la température en un point donné n’être relevée pas plus d’une fois par seconde. Toutefois, le rythme d’évolution doit être prévisible. A l’autre extrême, les protections d’un équipement haute tension (HT) doi-vent relever les valeurs de courant et de tension plusieurs milliers de fois par seconde pour détecter et réagir, au besoin, en une fraction de cycle.

Consommation énergétiqueDe prime abord, la consommation énergétique des équipements électroni-ques industriels ne fait pas débat, du fait de son abondance. Or celle-ci n’est pas toujours disponible et les impéra-tifs de réduction des coûts d’installa-tion imposent des dispositifs électri-ques de protection sans alimentation séparée de l’électronique. Ces disposi-tifs sont autonomes ou puisent dans leur milieu l’énergie dont ils ont be-soin. Les capteurs sans fil pour l’auto-matisation des bâtiments, usines ou procédés doivent être munis d’une ali-mentation sur pile couvrant plusieurs années ou offrir une autonomie éner-gétique totale. Des alimentations auto-nomes peuvent ainsi être conçues pour capter d’infimes quantités d’énergie de leur environnement : ondes électroma-gnétiques, énergie solaire, gradients de température ou vibrations.

ABB s’appuie sur sa dimension internationale pour appliquer les meilleu-res pratiques élaborées par certaines de ses équi-pes à d’autres secteurs d’activités pour améliorer les performances globales des systèmes.

Même lorsqu’elle est disponible, des produits économes en énergie devien-nent indispensables pour réduire les

pertes thermiques à évacuer par des moyens de refroidis-sement onéreux et suscepti-bles de défaillance.

Cycle de vieAutre contrainte forte qui s’impose à l’embarqué indus-triel : la longévité de chaque produit et la gestion du cycle de vie de la gamme complète. Alors que, de nos jours, l’électronique grand public affiche une espérance de vie inférieure à cinq ans, les équi-pements industriels doivent fonctionner au minimum 20 ans ! Dans ce contexte, non seulement l’électronique doit être particulièrement robuste,

mais la gestion du produit sur son cycle de vie complet pose des défis spécifiques car les composants maté-riels, systèmes d’exploitation et outils de développement évoluent en per-manence et les produits individuels souffrent d’obsolescence.

Facteurs clés du développement des systèmes embarqués Certains défis liés à la conception des systèmes embarqués ont peu évolué au cours des deux dernières décen-nies : la course aux performances, à taille et coût réduits, restera d’actuali-té tant que les développements dans les technologies sous-jacentes le per-mettront. D’autres, par contre, évo-luent rapidement et trois facteurs – complexité, connectivité et simplicité d’usage – méritent notre attention.

ComplexitéAlors que la densification et la vitesse accrue des circuits intégrés ouvrent de formidables perspectives, tous les développeurs sont confrontés au défi majeur de la complexité grandissante. En effet, un système embarqué peut aujourd’hui compter des centaines de milliers de lignes de code.

De plus en plus de produits embar-quent des systèmes complexes. Les activités de développement doivent évoluer parallèlement aux produits et aux technologies. Des processus, méthodes et outils de développement adéquats deviennent indispensables. ABB s’appuie sur sa dimension inter-nationale pour appliquer les meilleu-


Alimentation sans fil – a alimentation, b boucle primaire,c détecteurs avec bobines secondaires

a

b

c

Bras d’un robot équipé d’un détecteur de proximité sans fil

17Revue ABB 2/2006


res pratiques élaborées par certaines de ses équipes à d’autres secteurs d’activités pour améliorer les perfor-mances globales des systèmes. Déve-lopper des plates-formes de produits est également un bon moyen de garantir la réutilisation et une plus grande efficacité.

Les SoC permettent de réaliser des systèmes extrêmement puissants sur des plates-formes configurables qui héber-gent tous les blocs fonctionnels de base d’un système embarqué.

ConnectivitéAvant la diffusion massive des com-munications numériques, les systèmes embarqués fonctionnaient pour l’es-sentiel en mode autonome. Eventuel-

lement, ils intégraient des fonctionna-lités de supervision et de commande à distance, mais le plus souvent ils exé-cutaient certaines fonctions de maniè-re autonome. Les choses évoluent rapidement avec les systèmes embar-qués modernes qui font partie inté-grante de réseaux distribués très éla-borés. Les capteurs simples avec une électronique de transmission élémen-taire ont cédé le pas à des appareils de terrain intelligents et complexes. Conséquence : des produits différents ne peuvent être conçus indépendam-ment les uns des autres mais doivent contenir certains composants com-muns. Les capacités de communica-tion, autrefois secondaires, deviennent une pièce maîtresse des systèmes. Alors que seul le câblage série en fil à fil permettait, par le passé, de relier un appareil à un système de contrôle-commande, les bus de terrain fédèrent désormais de nombreux appareils complexes. La nécessité de connecter différentes applications au sein d’un système aux informations et services intégrés aux appareils de terrain a un effet d’entraînement sur l’introduction des technologies standards de l’infor-mation et des communications (TIC), comme Ethernet et les services web.

Simplicité d’usageLes appareils de terrain complexes sont souvent programmables ou confi-gurables. Un transmetteur de pression moderne peut contenir plusieurs cen-taines de paramètres. Notre mode d’interaction avec l’appareil – interface intégrée ou application logicielle du système – s’est complexifié. Rendre cette complexité transparente à l’utili-sateur n’a pas toujours été primordial. Si la plupart des contraintes sont aisé-ment quantifiables ou absolues, le concept de « simplicité d’usage » ou en-core d’ergonomie est parfois difficile à définir. Un système embarqué d’utilisa-tion simple et intuitive coûte pourtant moins cher à mettre en service et à entretenir. Il induira moins d’erreurs et sera une composante clé de la satisfac-tion globale du client.

Pour toutes ces raisons, l’ergonomie est un critère hautement prioritaire de la conception et du développement des produits ABB, dès la phase initiale d’un projet et ce jusqu’aux essais finaux.

PerspectivesABB façonne l’avenir des technologies de l’énergie et de l’automatisation avec des produits et solutions innovants dans lesquels les systèmes embarqués jouent un rôle croissant. Pour garder notre longueur d’avance, nous devons anticiper les tendances de fond et sai-sir les opportunités qui se présentent.

Parmi celles-ci, les « systèmes sur une puce » ou SoC (Systems on Chip) per-mettent de réaliser des systèmes extrê-mement puissants – associant matériel et logiciel – sur des plates-formes confi-gurables qui hébergent tous les blocs fonctionnels de base d’un système em-barqué : microprocesseurs, puces DSP, circuit logique programmable, mémoire, processeurs de communication et pilo-tes d’affichage, pour ne citer qu’eux.

D’autres tendances sont liées aux communications sans fil et aux appa-reils auto-configurables et systèmes embarqués en réseau, qui élargissent le périmètre d’utilisation des appareils de terrain intelligents pour envisager des applications jusqu’ici irréalisables du fait des coûts de câblage. ABB est aux avant-postes des technologies et applications qui valorisent les récents résultats de la R&D et les avancées dans d’autres secteurs d’activités, comme les télécommunications et l’électronique grand public.

Les capteurs simples avec une électronique de transmission élémentaire ont cédé le pas à des appareils de terrain intelli-gents et complexes.

S’il nous est impossible de dire à quoi ressembleront les systèmes d’énergie et d’automatisation dans une vingtaine d’années, nous pouvons souligner le double rôle de catalyseurs et de loco-motives que joueront les systèmes embarqués dans leur développement.

Christoffer Apneseth

ABB Corporate Research, ABB AS

Billingstad (Norvège)

[email protected]

Module de communication pour transmission radio


Thema

Protection rapprochéeLes applications embarquées dansla protection et l’automatisation des systèmes électriquesKornel Scherrer

Dès les premiers projets d’électrifi-cation il y a plus de 130 ans, il a fallu protéger les ouvrages des défauts qui perturbent leur fonction-nement. Aujourd’hui, les technolo-gies embarquées dans les automa-tismes du système électrique assu-rent des fonctions de protection et de nombreuses autres tâches appli-catives. Dans cet article, nous com-mençons par dresser l’inventaire de leurs domaines d’application pour ensuite analyser l’évolution techno-logique des protections et des automatismes utilisés dans le tripty-que production-transport-distribu-tion du système électrique

18 Revue ABB 2/2006

19Revue ABB 2/2006

Dans le secteur électrique, l’auto-matisation trouve son origine

dans le besoin de protection des équi-pements HT ou MT (ex., appareils de connexion, disjoncteurs, lignes électri-ques, moteurs et générateurs) des conséquences de la défaillance d’un ouvrage. Les organes de protection firent leur apparition il y a plus de 130 ans, à l’aube des premiers projets d’électrification. Les relais basés sur le principe électromécanique mais opé-rés mécaniquement, première techno-logie exploitée, restent de nos jours très répandus dans de nombreux sys-tèmes électriques à travers le monde. Le développement de l’électronique et des semi-conducteurs a favorisé l’émergence d’une deuxième généra-tion de relais élargissant les domaines d’application avec des fonctions enri-chies et nouvelles, comme la mesure du courant, le déclenchement d’alar-mes et le suivi de tendance. Au début des années 80, les protections numéri-ques tirèrent parti de l’arrivée sur le marché des microprocesseurs pour offrir une large panoplie de nouvelles fonctionnalités. De nos jours, ces relais numériques embarqués assurent des fonctions de protection, de contrôle-commande, d’autosurveillance et même de transmission de données.

Les nouveaux impératifs du marchéAlors qu‘auparavant les organes de protection avaient pour seule mission de protéger les équipements HT et MT, les bouleversements intervenus dans le secteur du transport et de la distribution d’électricité plaident pour de nouvelles solutions qui doivent satisfaire des impératifs à la fois tech-niques et économiques : ouverture du marché, écoute et fidélisation des clients, qualité et fiabilité de fournitu-re, services à valeur ajoutée, perfor-mances financières, baisse des coûts d’exploitation et de maintenance, ges-tion des actifs, etc. Ceux-ci appellent la mise en place de solutions moder-nes d’automatisation pour l’ensemble de la filière. Autre défi : la transmis-sion de données temps réel avec accès total aux informations de fonc-tionnement pour exploiter au maxi-mum les avancées technologiques.

Domaines d’applicationSi l’automatisation de la conduite et de la protection du système électrique

emprunte à l’automatisation industriel-le bon nombre de ses concepts, la proximité des équipements HT et MT impose des contraintes plus fortes : niveaux de tension supérieurs, détec-tion de niveaux de courant et de tension plus élevés, synchronisation horaire à la milliseconde avec horoda-tage des événements, temps de répon-se très courts (quelques millisecon-des) et exigences accrues de compati-bilité électromagnétique (CEM) et de protection contre les perturbations. Nous décrivons ci-après les besoins spécifiques de chaque type d’ouvrage.

Les composants embarqués investis-sent rapidement les systèmes électri-ques avec des domaines d’application de plus en plus vastes, depuis les cen-tres de production jusqu’aux centres

de consommation. Un système ou composant de système embarqué a pour principale caractéristique de réagir aux événements ou à son envi-ronnement dans un délai déterministe avec des applications temps réel généralement exécutées de manière cyclique. Le temps de cycle détermi-nant le meilleur temps de réponse, il est spécifique à chaque application. De façon générale, les systèmes situés au plus près des ouvrages exigent des temps de cycle plus courts que les applications éloignées, par exemple, des centres de conduite des réseaux. L‘écran reproduit en page 18 illustre un système électrique type dont cha-que composant fait intervenir des automatismes distincts. En général, la conduite d’un tel système s’appuie sur des fonctions automatisées de protec-


Protection rapprochée

20 Revue ABB 2/2006


tion des ouvrages, de régulation des transits de puissance, de surveillance des régimes de fonctionnement et de suivi d’état des équipements.

Centrale de productionL’exploitation des centrales de produc-tion fait largement appel aux solutions d’automatisation industrielle complé-tées d’automatismes dédiés aux équi-pements HT comme les générateurs. Parmi les fonctionnalités, citons : protection et contrôle-commande des générateurs ;

contrôle de synchronisation (Synchro check) du générateur lors de son couplage au réseau de transport ;

protection et commande des disjoncteurs.

Les automatismes sont souvent inté-grés dans le système automatisé de conduite de la centrale.

Réseau de transportUn réseau de transport est constitué de lignes électriques interconnectées par des postes électriques qui embar-quent les fonctions de protection dédiées et automatisées. La protection différentielle des lignes met en œuvre deux dispositifs électroniques qui mesurent la tension et le courant aux deux extrémités. Des liaisons de com-munication spécialisées transmettent les mesures qui, en régime normal, ne varient pas. Toute variation des gran-deurs mesurées révèle un défaut sur la ligne qui provoque l’ouverture (déclen chement) des disjoncteurs en quelques millisecondes, séparant la partie en défaut du reste du réseau. Un défaut peut être temporaire (suite à un choc de foudre ou autre phéno-mène) ou permanent (chute d’un arbre sur la ligne ou autre incident). Dans le cas d’un défaut temporaire, les automatismes reconnectent auto-matiquement la ligne.

Autre application courante : la protec-tion de distance qui assure une fonc-tion semblable mais basée sur l’impé-dance de la ligne plutôt que sur les variations de tension ou de courant. En cas de défaut, le dispositif embar-qué isole non seulement la ligne, mais indique également la distance entre le poste électrique et le lieu présumé de la défaillance.

Les automatismes d’un poste électri-que sont en général reliés à un termi-nal de communication distant, ou passerelle, qui échange des informa-tions avec le centre de conduite du réseau.

Les bouleversements intervenus dans le secteur du transport et de la distribution d’électricité plaident pour de nouvelles solutions.

Alors que le transport du courant se fait en alternatif (CA), des lignes en courant continu à haute tension (CCHT) sont généralement utilisées pour acheminer l’électricité sur de longues distances. Dans ce cas, une conversion CA/CC et CC/CA aux deux extrémités des lignes est réalisée par des convertisseurs à thyristors qui exigent des équipements de contrôle-commande et de protection comple-xes et très puissants avec des temps de cycle aussi courts que 100 ns.

Poste sourceDans ce poste électrique, de gros transformateurs de puissance isolés dans l’huile abaissent les niveaux de tension, par exemple, de 240 kV (transport) à 110 kV (distribution). Des schémas spécifiques de disjonc-teurs garantissent une régulation fiable des transits de puissance. On y trouve de nombreux systèmes embarqués servant à des fins d’auto-matisation. Globalement, on distingue la protection des composants (ex., ligne, transformateur ou disjoncteur) de la protection des systèmes (ex., jeux de barres). Un court-circuit dans le poste électrique pouvant atteindre 100 000 A, les protections doivent réagir dans les 10 à 20 ms en isolant la partie défectueuse du poste.

Pour des raisons de sûreté de fonc-tionnement, on utilise des dispositifs embarqués distincts pour les fonctions de protection et de contrôle-comman-de. Ainsi, un poste peut nécessiter plusieurs dizaines d’automatismes, voire plusieurs centaines s’il est important.

Ces automatismes sont des compo-sants de systèmes modulaires, dont le nombre d’entrées/sorties (E/S) et la puissance de calcul varient.

Poste de distribution primaireCe poste assure les mêmes fonctions qu’un poste source mais à des ni-veaux de tension inférieurs. Des trans-formateurs de moindre puissance transforment, par exemple, le 110 kV en 38 kV. Ici, un même appareil intè-gre et réalise conjointement les fonc-tions de protection et de contrôle-commande. L’énergie en jeu dans un défaut est moins critique que dans un réseau de transport, assouplissant quelque peu les contraintes de temps réel. Toutefois, les temps de manœu-vre restent de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes.

Poste de distribution secondaireCe type de poste, situé plus près des consommateurs avec des niveaux de tension plus faibles, peut éventuelle-ment inclure un transformateur, mais sa configuration est considérablement moins complexe que celle d’un poste primaire.

La technicité des automatismes est également très limitée, assurant le plus souvent de simples fonctions de protection. Les produits sont stan-dards, peu chers et pour l’essentiel non communicants.

Source de production autonomeUne source de production autonome type est un générateur de secours pour les consommateurs critiques : hôpitaux, sites industriels ou infra-structures vitales. Dans ce genre d’application, on trouve le plus sou-vent un inverseur de source (source standard <–> source de secours). Les fonctions d’automatisation embar-quées correspondantes garantissent le bon fonctionnement de tous les dis-positifs concernés, y compris le sec-tionnement de la ligne électrique, le démarrage du générateur et le coupla-ge du générateur au consommateur critique. Si l’application ne peut tolé-rer la moindre perturbation (ex., ser-veurs de données), de grosses batte-ries d’accumulateurs ou des systèmes à volant servent à compenser la tem-porisation de démarrage du généra-teur. Une inversion de source rapide


21Revue ABB 2/2006


et complète intervient en quelques millisecondes, sans interrompre l’ali-mentation électrique de l’informatique critique.

Automatismes de trancheOn regroupe sous le vocable « automa-tismes de tranche » les dispositifs de protection et de contrôle-commande situés à l’extérieur du poste et montés directement sur les lignes de distribu-tion électrique. Les fonctionnalités types incluent la protection contre les

surintensités, la localisation des dé-fauts et le réenclenchement des dis-joncteurs. Le rétablissement rapide et « intelligent » des lignes de distribution en défaut est un autre exemple prati-que de fonctions avancées d’automati-sation embarquée.

Réseau industrielLes gros consommateurs électriques comme les sites industriels, les usines ou complexes chimiques ont leur pro-pre réseau sur lequel sont raccordés

les moteurs électriques et autres équi-pements lourds. Ils comportent de nombreux dispositifs de protection, de contrôle-commande et de mesure, le plus souvent intégrés au système de conduite de l’ensemble du site indus-triel.

Centre de conduite du réseauLe centre de conduite du réseau est le poste de pilotage centralisé où des systèmes SCADA de télégestion rapa-trient les données de tous les postes électriques et réalisent des calculs complexes. Il regroupe également les systèmes de gestion énergétique qui veillent au fonctionnement performant et stable des générateurs, du réseau de transport et des centres de consom-mation. Des calculs complexes de transit de puissance y sont réalisés, surveillant les régimes de fonctionne-ment critiques pour permettre au personnel de conduite de prendre les mesures adéquates.

La proximité des équipe-ments HT et MT impose des contraintes plus fortes aux solutions de conduite automatisée du système électrique.

Les technologies embarquées réalisent des fonctions à temps réel critique à tous les niveaux du système et de la conduite. Le graphique 1 regroupe les différentes applications selon les contraintes temps réel.

Dynamique technologiqueLa technologie embarquée pour l’automatisation des systèmes électri-ques progressera dans trois directions distinctes.

Intégration de l’électroniqueAu fur et à mesure des avancées de la technologie des circuits intégrés, chaque automatisme embarquera un nombre croissant de fonctionnalités. Du fait de l’augmentation de la fré-quence d’horloge des UC et de la capacité mémoire, un même dispositif embarqué sera capable d’exécuter des fonctionnalités nouvelles et supplé-mentaires aujourd’hui réalisées par


Les premiers dispositifs numériques de protection et de contrôle-commande utilisaient les proces-seurs DSP spécialisés. Aujourd’hui, ils bénéficient de la formidable puis-sance de calcul des unités centrales (UC) génériques. Ainsi, les micro-contrôleurs PowerPC conjuguent haute puissance de traitement et faible consommation énergétique, et donc faible dissipation thermique. Les mémoires RAM servent à l’exé-cution des programmes et les mé-moires EPROM au stockage des programmes et des données de configuration. Une configuration type peut inclure un PowerPC ca-dencé à 400 MHz, 64 Mo d’EPROM et 64 Mo de RAM. L’UC peut être complétée de circuits logiques pro-

grammables FPGA (Field Program-mable Gate Arrays) intégrant les fonctions de logique et de prétraite-ment des signaux. Un automatisme inclut le plus souvent plusieurs car-tes électroniques pour accompagner la grande diversité de circuits d’en-trée et de sortie. Une liaison série à haut débit est intégrée pour la com-munication intermodule, permettant à l’UC d’échanger des données avec les modules d’entrée et de sortie. Des puces ASIC sont conçues pour optimiser l’ensemble des spécifica-tions techniques et économiques. La figure ci-dessous est un exemple d’UC haute performance raccordée à un module d’entrées numériques et de communication sur Ethernet.

Technologie d’automatisation des postes électriques

a EPROMb FPGA de prétraitement des signauxc Liaison série intégrée 100 bit/sd Alimentation

e Commutateur Ethernet multiport avec liaison Ethernet 100 Mbit/s optique et électrique

f Entrées binaires 18-300 Vg ASIC de traitement des entrées numériquesh RAMi Microcontrôleur PowerPC

a

b

c

d

e

f

h

g

i

22 Revue ABB 2/2006


plusieurs dispositifs éventuellement en différé.

De surcroît, le développement de plates-formes électroniques et logiciel-les génériques tirera vers le bas les prix des applications spécifiques.

Intégration de l’appareillage électriqueLes systèmes seront également embar-qués dans l’appareillage électrique lui-même qui s’oppose à la pratique actuelle où les automatismes sont montés dans des tableaux électriques et raccordés à l’appareillage par des entrelacs de câbles.

Ainsi, l’appareillage électrique avec ses fonctions d’automatisation forme une unité fonctionnelle complète que l’on qualifie d’intelligente. Les tâches de développement matériel (schémati-que et câblage) cèdent le pas à des développements et des confi-gurations logiciels.

L’appareillage basse tension (BT) à électronique intégrée est aujourd’hui une techno-logie de pointe qui s’est im-posée chez les clients. Dans le domaine de la MT, les premiers disjoncteurs intelli-gents arrivent sur le marché avec un accueil favorable alors que dans celui de la HT, les travaux de recherche se poursuivent et le marché doit être préparé 2 . Néan-

moins, tous ces domaines d’applica-tion s’acheminent vers toujours plus d’intégration, chacun à un rythme dif-férent.

CommunicabilitéLes progrès les plus notables porte-ront cependant sur l’aptitude crois-sante à communiquer toujours plus rapidement avec en ligne de mire l’adoption de l’Ethernet industriel. La nouvelle norme CEI 61850 pour le secteur énergétique incite à l’interopé-rabilité à tous les niveaux d’un systè-me d’automatisation, pour diffuser et tirer le plein potentiel des technolo-gies de la communication. Les disposi-tifs du futur offriront des fonctions réseau multiports assurant aussi bien des tâches de routage et de commuta-tion qu’une synchronisation horaire haute précision. Par ailleurs, les pro-

tocoles les plus répandus, tels que Modbus et DNP (Distributed Network Protocol), s’ouvriront à Ethernet, per-mettant l’utilisation d’une multitude de protocoles normalisés sur un seul réseau Ethernet.

Les dispositifs communicants de pro-tection et de contrôle-commande d’aujourd’hui deviendraient des nœuds du réseau de transmission avec des fonctionnalités d’automatisation.

L’exploitation des centrales de production fait largement appel aux solutions d’automatisation industrielle.

PerspectivesLa filière électrique est un gros consom-mateur de systèmes embarqués comple-xes que l’on retrouve dans des applica-tions nombreuses et variées : protection des ouvrages, régulation des transits de puissance, surveillance des processus et suivi d’état des équipements.

Les automatismes s’intègrent dans les réseaux de transmission de données pour échanger des informations entre eux et avec les systèmes SCADA.

La voie empruntée par le progrès technologique annonce, d’une part, une complexité fonctionnelle crois-sante de chaque dispositif doublée d’une intégration plus poussée avec l’appareillage MT et HT, et, d’autre part, des besoins accrus d’automatisa-tion, de communicabilité et de con-nectivité.

Kornel Scherrer

Distribution Automation

ABB Management Services Ltd

Zurich (Suisse)

[email protected]


2 Densité d’intégration des dispositifs selon les niveaux de tension

Low voltage < 1 kV

Medium voltage 1..20 kV 10..52 kV

High voltage > 70 kV

Leve

l of i

nteg

ratio

n

1 Contraintes temps réel de différentes applications embarquées d’un système électrique

Réseau de transport

Centre de conduite

du réseau

Postes primaires

Source de production autonome

Postes secondaires

Réseaux industriels

Réseau BT

1s

100ms

10ms

1ms

1ms

Tem

ps d

e cy

cle

type

des

app

licat

ions

Synchronisation horaire : acquisition des données analogiques : 1..30 s Evénements du système : 1 ms

CCHT, 100ns

23Revue ABB 2/2006

La commande DTC confère aux variateurs de vitesse un temps

de réponse exceptionnel aux transi-toires de couple 1 et permet d’exploi-ter les moteurs asynchrones aux limites théoriques de leurs performan-ces en régulation de vitesse et de couple.

La technique DTC utilise un algorith-me de commande implanté dans un microcontrôleur embarqué dans le variateur. Exploitée commercialement

depuis 1995, elle s’est rapidement imposée sur le marché de la variation électronique de vitesse (VEV), tout particulièrement dans les applications critiques qui ne tolèrent aucun compro-mis de qualité. Pour bien comprendre la relation entre fondements théori-ques de la commande des moteurs et apport des technologies embar-quées, revenons sur l’origine de la technique DTC et ses étapes de développement.

Emergence d’une technologie innovanteLa fonction de base d’un variateur de vitesse est de réguler le débit d’éner-gie entre le réseau électrique et la machine entraînée. Cette énergie est transmise à la machine par l’intermé-diaire de l’arbre mécanique d’un mo-teur. Deux grandeurs physiques décri-vent l’état du moteur : le couple et la vitesse de rotation. Ainsi, pour contrô-ler et réguler le débit d’énergie, il faut agir sur ces deux grandeurs.

Lorsque vous mettez le pied sur un es-calator, celui-ci ne ralentit pas sous la charge supplémentaire car, pour main-tenir sa vitesse, ses moteurs fournis-sent un surcroît de puissance. Dans l’industrie, il en va de même : les convoy eurs, arbres mécaniques et pompes doivent fonctionner à des valeurs préréglées de vitesse ou de couple quelles que soient les condi-tions réelles d’exploitation. Or les mus-cles que sont les moteurs ne peuvent,

par eux-mêmes, s’adapter aux varia-tions de leur environnement ; pour cela, ils sont commandés par des variateurs électroniques de vitesse qui deviennent leur cerveau.

Une caractéristique clé de ces varia-teurs est leur sensibilité et leur rapidité de réaction à toute sollicitation de l’application. Les progrès des semi-conducteurs ont permis, non seule-ment, de doper les performances de

ces appareils en terme de vitesse de traitement de l’information, mais également d’intégrer des fonctions mathématiques de plus en plus pous-sées. La technique DTC (Direct Torque Control) de commande des moteurs, exclusivité ABB, exploite toute la puis-sance des processeurs de traitement numérique du signal DSP (Digital Signal Processors) pour des temps de réponse et un niveau de précision inégalés.

Changement de braquetLa commande des moteurs embarque des puces DSPIlpo Ruohonen

Schéma fonctionnel de la technologie DTC

PID

Référence de couple

Référence de vitesse

Optimisation du flux M/A

Freinage par contrôle de

flux M/A

Régulateur de vitesse + compensateur d’accélération

Vitesse réelle

Régulateur de référence de couple

Régulateur de référence

de flux

Référence de couple interne

Référence de flux interne

Comparateur de couple

Comparateur de flux

Couple réel

Flux réel

Modèle moteur

auto-adaptatif

Etat couple

Signaux de commande

Etat fluxPosition des interrupteurs

Courant moteur

Optimi-sateur

d’impul-sions

ASIC

Tension bus c.c.

Réseau

Redresseur

Bus c.c.

Onduleur

M 3 ~

Commandes de positionnement

des interrupteurs

+

-

Cœur DTC

U

U

f

f

24 Revue ABB 2/2006

Changement de braquet

Dans la pratique, on agit sur une de ces deux variables et on parle alors de régulation de couple (la vitesse est fonction de la charge) ou de régula-tion de vitesse (le couple est fonction de la charge). Cependant, dans tous les cas, il y a un rapport entre le cou-ple, la valeur réelle de courant et le flux électromagnétique réel dans le moteur. L’idée de départ de la techno-logie DTC est d’utiliser le couple et le flux moteur comme variables de com-mande, contrairement à la commande traditionnelle des moteurs à courant alternatif (c.a.) qui régule la fréquence et la tension d’entrée, mais en repre-nant le principe de commande des moteurs à courant continu (c.c.).

De plus, les techniques traditionnelles de modulation de largeur d’impulsions (MLI) et de contrôle vectoriel de flux exigent un modulateur pour traiter les signaux de tension appliqués au mo-teur, rallongeant les temps de réponse aux variations de couple et de vitesse.

L’absence de modulateur explique en partie les temps de réponse dix fois plus courts de la commande DTC par rapport au contrôle vectoriel de flux. Par ailleurs, cette commande réalise une orientation rapide du flux sans retour capteur car le flux moteur est obtenu par modélisation mathémati-que très poussée du moteur pour cal-culer son couple et le flux statorique.

La réponse de la com-mande DTC est tellement rapide que la VEV investit de nouveaux domaines d’application. Ainsi, par exemple, un variateur DTC est la solution idéale pour protéger les organes mécaniques des surchar-ges et des à-coups de charge.

Le rôle de catalyseur de la technologie DSPSi les avantages de la technologie DTC étaient connus en théorie, son application pratique était tributaire des progrès de la commande embar-

quée et l’augmentation des fréquences d’horloge. En effet, les microproces-seurs classiques utilisés dans nos PC n’offrent pas une fréquence suffisam-ment élevée. C’est l’avènement des processeurs DSP qui a servi de cataly-seur à la technologie DTC. Dévelop-pés à l’origine pour l’industrie des télé-coms, les DSP sont aujourd’hui large-ment utilisés en VEV. Un variateur DTC moderne calcule le couple réel à l’arbre moteur au minimum 40 000 fois par seconde (toutes les 25 µs), garan-tissant un temps de réponse extrême-ment court aux transitoires de charge et aux changements de référence de vitesse ou de couple imposés par l’utilisateur.

Aujourd’hui, les variateurs sont plus petits, plus rapides, plus performants, plus fiables et plus sim-ples à utiliser que les générations précédentes, tout cela grâce aux pro-grès de la commande embarquée !

La réponse de la commande DTC est tellement rapide que la VEV investit de nouveaux domaines d’application. Ainsi, par exemple, un variateur DTC est la solution idéale pour protéger les organes mécaniques des surcharges et des à-coups de charge. De même, une régulation de couple quasi instantanée signifie que des algorithmes évolués peuvent directement être utilisés pour amortir les vibrations mécaniques dans les applications caractérisées par des résonances mécaniques propres. Enfin, un variateur DTC est apte à détecter rapidement toute perte de couple de charge d’origine mécanique (ex., rupture d’une bande transporteu-se) et agir pour prévenir toute dégra-dation supplémentaire. Nous pour-rions citer de nombreux autres exem-ples dans lesquels le temps de répon-se rapide de la commande DTC per-met de protéger à la fois la machine entraînée et le moteur électrique.

Si les méthodes de commande plus simples, comme le contrôle vectoriel sans capteur, sont souvent utilisées

Usine Ideaplast en Italie avec une extrudeuse (détail de la tête d’extrusion et des bobines de film plastique)

Un fonctionnement fiable des convoyeurs est indispensable en automatisation des boulange-ries industrielles (Boulangerie Fazer, Finlande).

Station de surpression à Pietersaari en Finlan-de. Les variateurs DTC sont dotés de fonction-nalités intelligentes de commande des pompes.


25Revue ABB 2/2006

Changement de braquet

dans les variateurs de faible puissance destinés aux applications peu contrai-gnantes, on privilégie la technique DTC dans les applications qui deman-dent des temps de réponse très courts en régulation de couple pour des per-formances optimales. Les variateurs de forte puissance représentant un inves-tissement lourd, la technique DTC est intégrée à toute la gamme ABB, quelle que soit l’application.

Des domaines d’application élargisAvec sa technologie DTC, ABB a placé la barre tellement haute qu’on est aujourd’hui limité par les performan-ces des moteurs et non par celles des variateurs. Par conséquent, les activi-tés de recherche défrichent de nou-veaux domaines d’application avec des développements très prometteurs dans la commande embarquée.

On obtient ainsi un courant réseau quasi sinusoïdal et non pollué.

Parmi ces domaines, citons la com-mande des moteurs à aimants perma-nents. Si leur principe de fonctionne-ment est connu depuis plusieurs an-nées, il leur a fallu attendre le déve-loppement de matériaux magnétiques plus performants pour s’imposer sur le marché.

Alors que les aimants en NdFeB (néo-dyme-fer-bore) sont disponibles de-puis 1987, leur composition exigeait des améliorations avant de pouvoir exploiter leurs propriétés mécaniques et magnétiques pour fabriquer des moteurs. Entre-temps, les techniques de fabrication ont régulièrement pro-gressé et de puissants moteurs à aimants permanents arrivent à présent sur le marché.

Le moteur à aimants permanents étant un moteur synchrone, son principe de fonctionnement est légèrement diffé-rent de celui d’un moteur asynchrone. ABB a ainsi développé pour ce type de moteur une version modifiée, ap-pelée PM-DTC, qui cumulent plusieurs avantages. Même s’ils peuvent être commandés par des variateurs tradi-tionnels, la commande PM-DTC de ces moteurs de hauteurs d’axe et de di-mensions normalisées CEI offre une plus grande précision sans retour cap-teur et un couple élevé aux basses vitesses. Ainsi, sur les machines à papier, les performances intrinsèques de cette technique ont permis de sup-primer les réducteurs des entraîne-ments électriques avec de substantiel-les économies à la clé. Comparée aux solutions traditionnelles, elle offre plusieurs avantages : moins de compo-sants (absence de réducteur, d’arbre intermédiaire et de capteur), temps d’études raccourcis, encombrement plus faible, coûts de maintenance et niveaux de bruit réduits, disponibilité et rendement énergétique accrus. Un grand nombre de ces avantages découlent de la technologie DTC et des progrès dans la commande embarquée. Même si les machines à papier comptent parmi les premières applications de la technologie PM-DTC, celle-ci gagne du terrain dans la propulsion marine et les turbi-nes d’éolienne.

Autre application innovante : l’étage d’entrée du variateur. Après modifica-tions, ABB a appliqué la technologie DTC au redresseur, pont d’entrée raccordé directement au réseau et qui alimente le pont onduleur. Cette solution n’engendre qu’une très faible pollution harmonique du réseau.

Traditionnellement, les variateurs sont raccordés au réseau par un pont re-

dresseur à diodes « passif » qui déforme la tension réseau. Cette distorsion qui perturbe le fonctionnement d’autres équipements reliés au réseau doit être minimisée. Une solution très efficace consiste à utiliser un pont redresseur « actif » à commande DTC pour réguler le courant d’entrée et supprimer les harmoniques de rangs faibles, et à insérer un petit filtre pour supprimer les harmoniques de rangs élevés. On obtient ainsi un courant réseau quasi sinusoïdal et non pollué.

Pour ne pas polluer le réseau, les variateurs traditionnels augmentent le nombre d’impulsions dans le redres-seur et utilisent des onduleurs 12 ou 24 pulses ainsi qu’un transformateur-déphaseur volumineux. Le redresseur actif DTC ne nécessite aucun transfor-mateur, donnant un variateur beau-coup plus petit. Ces exemples témoi-gnent d’une dynamique forte : les pro-grès de l’électronique ont dopé la puissance de traitement et la capacité mémoire embarquées dans les varia-teurs, permettant l’essor de la com-mande DTC dont les performances ouvrent la voie à de nouvelles appli-cations et de nouvelles fonctionnali-tés. Aujourd’hui, les variateurs sont plus petits, plus rapides, plus perfor-mants, plus fiables et plus simples à utiliser que les générations précéden-tes, tout cela grâce aux progrès de la commande embarquée !

Ilpo Ruohonen

ABB Oy

Helsinki (Finlande)

[email protected]

Les systèmes d’entraînement à vitesse variable peuvent être com-mandés en boucle fermée (des capteurs montés sur l’arbre moteur fournissent des données d’état à un algorithme de commande et de régulation) ou en boucle ouverte (configuration plus simple car sans capteur mais au prix d’une perte de précision). Peut-on obtenir la précision d’un système en boucle fermée sans retour capteur ? Oui, avec la technologie DTC qui utilise des fonctions mathématiques pour prédire l’état du moteur. Le niveau de précision et de répétabilité est comparable à celui des systèmes en boucle fermée avec, en prime, un temps de réponse jusqu’à dix fois plus court !

Commande des moteurs

Les bureaux modernes sont truffés d’équipe-ments sensibles aux perturbations harmoni-ques du réseau. Le variateur DTC « propre » est idéal pour ce type d’environnement.


26 Revue ABB 2/2006

Des trains encore plus rapidesPour réduire les coûts d’exploitation et renforcer l’attrait du chemin de fer, les trains modernes sont de plus en plus légers et maniables. Les conver-tisseurs de puissance embarqués doivent emboîter le pas en étant plus rapides, plus réactifs, plus fiables et moins encombrants, toutes qualités du convertisseur de puissance CC750® d’ABB.

Le convertisseur basse tension à IGBT CC750® d’ABB est au cœur du circuit de puissance du train FLIRT1) [1] 1 des Chemins de fer fédéraux suisses (CFF) de même que des trains de type GTW

des opérateurs THURBO (Thurgau-Bodensee Bahn) et RM (Regionalver-kehr Mittelland), tous fabriqués par l’entreprise Stadler Rail AG. Depuis leur lancement commercial en décem-bre 2003, quelque 250 trains ont été

Face aux exigences croissantes de fiabilité, de rapidité et de précision des convertisseurs de puissance et des variateurs de vitesse, les contrôleurs doivent être de plus en plus performants. Le contrôleur AC 800PEC d’ABB, intégré au système d’automatisation étendue 800xA plébiscité par nos clients, est une plate-forme de commande non seulement pour les systèmes à électronique de puissance, mais également pour la traction ferroviaire et la conduite des laminoirs, comme le montrent les deux exemples de cet article.

Embarquement immédiatAC 800PEC : plate-forme de commande multi-applicative Armin Eichmann, Andreas Vollmer

mis en service ; tous leurs convertis-seurs de puissance sont commandés par la plate-forme AC 800PEC.

Configuration du systèmeLe convertisseur de traction CC750®,

1 Les nouveaux trains légers de type FLIRT embarquent des convertisseurs de puissance CC750® d’ABB.

27Revue ABB 2/2006

Embarquement immédiat

développé pour les trains à unités multiples des réseaux régionaux et suburbains, intègre une alimentation auxiliaire et est adapté à plusieurs tensions de caténaire, notamment 15 kV/16,7 Hz et 25 kV/50 Hz. Il utili-se des modules de transistors bipolai-res à grille isolée IGBT avec une ten-sion de blocage de 1 200 V, à la fois dans le circuit d’alimentation de trac-tion et dans le convertisseur auxiliaire.

Les deux convertisseurs sont totalement redondants, le train pouvant continuer de fonctionner à puissance réduite en cas de défaillan-ce d’un des convertisseurs.

La configuration du système principal est illustrée en 2 . Deux convertisseurs CC750® identiques ( 2d et 2e ) sont raccor-dés au caténaire 2a via un transformateur HT commun refroidi à l’huile 2c . Les deux convertisseurs sont totalement re-dondants, le train pouvant continuer de fonctionner à puissance réduite en cas de défaillance d’un des convertisseurs.

Système de commande embarquéLe système est conçu sur une architec-ture décentralisée 3 constituée des éléments suivants : Contrôleur AC 800PEC 3e hautes performances d’ABB, programmable en MATLAB®/Simulink® et Real-Time Workshop®.

Carte d’interface PEBB 3b (Power Electronics Building Block) : bloc d’E/S déportées universelles qui commande et protège les convertis-seurs à IGBT. Les liaisons avec les circuits de commande des IGBT sont bidirectionnelles.

Carte Combi IO 3c : bloc d’E/S dépor-tées universelles pour les applica-tions de traction à grande vitesse.

Modules auxiliaires 3a , 3d , compre-nant les alimentations, les capteurs de courant et de tension intermédiai-res, et la commande de l’appareillage de coupure et de commutation.

Le système inclut également une instru-mentation de mesure du courant alter-natif et de la tension continue (échan-tillonnage synchrone), une protection contre les surintensités ainsi qu’un ver-rouillage de modulation et d’amorçage.

Pour une immunité élevée aux pertur-bations électromagnétiques, le contrô-leur AC 800PEC, la carte d’interface PEBB et la carte Combi IO communi-quent sur fibres optiques. Une liaison optique supplémentaire relie la com-mande du convertisseur à celle du train sur bus CANopen. La liaison avec un ordinateur central à des fins de programmation et de surveillance se fait sur réseau Ethernet.

Depuis décembre 2003, quelque 250 trains ont été mis en service ; tous leurs convertisseurs de puissance sont commandés par la plate-forme AC 800PEC.

Logiciel de commande de l’AC 800PECLes systèmes de commande numérique à grande vitesse constituent le nec plus ultra de la technologie pour l’électroni-que de puissance. En général, les cir-


2 Agencement des convertisseurs de traction du train THURBO de type GTW avec deux unités CC750® fournissant au total 1,1 MW de puissance de traction.

a

b

c

d e

fg

h

i

j

l

m

n

k

a pantographe (caténaire 15 kV, 16 2⁄3 Hz)b disjoncteur principalc transformateurd et e convertisseurs de puissance CC750®

f enroulement auxiliaire du transformateur pour le chauffage du traing onduleur réseau (entrée 390 V)

h bus CC (750 V)i onduleur de traction (480 V/0–170 Hz,

750 kVA de puissance de traction)j et k moteurs de traction asynchronesl alimentation auxiliaire triphasée

(50 kVA/3 × 400 VCA)m chargeur de batterie (12 kW/36 VCC)n hacheur de freinage

3 Architecture matérielle du CC750®

a

b c

d

e

a module auxiliaireb carte d’interface PEBBc carte Combi IOd module auxiliairee AC 800PEC

Tableau 2 Exemple de paramètres clés d’un laminoir à froid

Force de laminage maxi = 30 MN Masse maxi des cylindres d’une

cage = 40 t Accélération maxi du laminoir = 2 m/s2

Vitesse maxi du laminoir = 150 km/h Epaisseur maxi des bandes = 6 µm Tolérance d’épaisseur = 0,5 à 1,0 %

28 Revue ABB 2/2006


cuits logiques FPGA pro-grammables en VHDL sont réservés aux fonctions à temps très critique (inférieur ou égal à la microseconde). Pour les vitesses intermédiai-res (de 100 µs à 1 ms), l’AC 800PEC intègre une couche logicielle basée sur MATLAB®/Simulink® avec Real-Time Workshop® [4], environnement qui autorise une programmation graphi-que à haut niveau d’abstrac-tion, privilégiée par les ingé-nieurs spécialistes du contrôle-commande et des systèmes. Toutes les fonctions de

codage, de téléchargement et de surveillance sont intégrées à la plate-forme, l’ingénieur étant dispensé des tâches de codage de bas niveau, fastidieuses et sujettes à erreur.

Les systèmes de commande étant généralement constitués de composants à différentes constantes de temps, le logiciel comporte des sous-tâches exé-cutées à intervalles différents. Dans le logiciel de commande du CC750®, trois cycles logi-ciels ont été implémentés avec des temps de cycle de 1 ms, 250 µs et 50 µs tableau 1 .

Laminage des tôles

Dans l’industrie métallurgique, la qua-lité des produits de même que la pro-ductivité et la flexibilité de l’outil de production ne cessent de croître. La nouvelle génération de systèmes d’automatisation ABB pour les lami-noirs regroupe des solutions inté-grées et avancées qui couvrent les besoins de qualité et de productivité des lamineurs. L’utilisation de la plate-forme d’automatisation étendue 800xA d’ABB avec le puissant contrô-leur AC 800PEC permet une automati-sation de toute la chaîne de produc-tion avec intégration totale et trans-

parente des solutions dans le systè-me de conduite de procédé.

Les laminoirs à chaud et à froid 4 sont soumis à des exigences accrues de rentabilité, de productivité et de qualité des produits. Parallèlement, l’outil de production doit être suffi-samment flexible pour fabriquer des produits de plus en plus diversifiés. Qualité et productivité sont tributaires de nombreux facteurs (performances des équipements mécaniques et élec-triques, alimentations auxiliaires et stratégies de régulation) et de très nombreuses variables qui doivent être étroitement surveillées pour atteindre les objectifs.

Un exemple de paramètres clés d’un laminoir à froid est donné au tableau 2 .

Pour piloter une usine gigantesque et aussi complexe au vue des exigences, un puissant contrôleur doit comman-der une panoplie très large de dispo-sitifs, depuis les plus simples (en tout-ou-rien) jusqu’aux automatismes les plus avancés, tâche admirablement assurée par la plate-forme AC 800PEC. Outre l’intégration totale dans la solu-tion d’automatisation étendue 800xA et la communication avec les E/S, les

entraînements de puissance, les diffé-rents bus de terrain et l’interface homme-machine, cette plate-forme se distingue par son puissant langage de programmation normalisé CEI 61131-3 et les performances de son unité cen-trale (UC) 5 .


Temps

Tâches (exemples) de cycle

Commande du train Consignes de vitesse 50 mssur CANopen et de coupleAC 800PEC, Tâche C Machine d’état, 1 msMATLAB®/ protection lente,Simulink® régulateur de fluxavec Real-Time Workshop® Tâche B Régulateurs de courant, 250 μs détection du décollement du pantographe Tâche A Régulateurs de 50 μs courant très rapides FPGA, VHDL modulateurs, ns protection très rapide

Tableau 1 Tâches logicielles avec leur temps de cycle

4 Pilotage haute précision du laminoir

Pour le client, cela se traduit pas une réduction des variations d’épaisseur pouvant atteindre 50 % (selon le produit).

29Revue ABB 2/2006


et de la masse des produits, et une amélioration des performances écono-miques du site. Pour piloter efficace-ment le procédé de laminage, la chaî-ne globale de production – équipe-ments mécaniques, électriques et hydrauliques, instruments de mesure, lubrification et stratégie de régulation – doivent fonctionner au diapason 6 .

Les algorithmes actuels de contrôle d’épaisseur sont composés de boucles

de régulation simples et de comman-des anticipatrices. Leurs performances sont limitées car ils ne font pas le lien entre épaisseur, écartement des cylin-dres et tension de bande [3].

En utilisant le puissant contrôleur AC 800PEC et sa programmation en code C, en plus du langage normalisé CEI 61131-3, une nouvelle solution de contrôle d’épaisseur pour les laminoirs à froid a été développée sur la base d’un régulateur multivariable MIMO (Multi-Input Multi-Output). Pour le client, cela se traduit pas une réduction des variations d’épaisseur pouvant atteindre 50 % (selon le produit).

L’outil de production doit être suffisamment flexible pour fabriquer des produits de plus en plus diversifiés.

Une puissante plate-forme multi-applicativeGrâce à ses différents modes de pro-grammation, le contrôleur AC 800PEC cible un large éventail d’applications, depuis les algorithmes de commande rapides pour l’électronique de puis-sance jusqu’aux applications de conduite de procédé.

Armin Eichmann

ABB Switzerland Ltd

Turgi (Suisse)

[email protected]

Andreas Vollmer

ABB Automation GmbH

Mannheim (Allemagne)

[email protected]

Bibliographie

[1] Peter Bruderer Stadler Rail Bussnang, Description

of FLIRT train, Railvolution 4/04 pages 58–72

[2] The Mathworks, User Manual Release 12.1, In

particular Matlab, Simulink, Real Time Workshop,

Stateflow, Stateflow Coder

[3] ABB in metals, http://www.abb.com

Notes1) Pour en savoir plus sur la plate-forme AC 800PEC,

lire également « Flots de conception », p.622) Flinker Leichter Innovativer Regional Triebzug :

nouveau train régional rapide et léger3) Emboutissage : procédé de formage d’une tôle

métallique entre une matrice et un poinçon.

En embouti-étiré, la profondeur de la pièce est

supérieure à son diamètre.

6 Concept du régulateur MIMO avec adaptation dynamique en ligne des paramètres

Plan de passes, prépositionnement et adaptation

ConsigneObjectifs derégulation

Conception/adaptation du régulateur

Modélisation en ligne du site

Paramètre du régulateur

Paramètres

Estimation en ligne

Régulateur MIMO

Régulation antici-patrice dynamique

PIDDécouplage dynamique

Laminoir


Un des défis majeurs qui se posent aux lamineurs est le contrôle d’épais-seur des tôles et son maintien dans des tolérances très étroites. Le marché de l’embouti-étiré2) de tôles d’alumi-nium et d’acier destinées au condi-tionnement et à l’automobile fait réfé-rence. Plus les variations d’épaisseur peuvent être réduites, plus le laminoir peut être piloté aux limites de toléran-ce avec, à la clé, une réduction de la consommation de matières premières

5 Configuration type du système pour laminoir

Interface OperateIT & serveur MES Salle informatique Salle de commande principale

Epaisseur

MMS, TCP/IP

DriveBus

• Section d’entrée et préparation des bobines

• Section de sortie et manipulation des bobineuses, transport des bobines

• Section de cage de laminoir et remplace-ment du cylindre

• Hydraulique, lubrification & huile

des cylindres

• Prépositionne-ment & enre-gistrement

• Contrôle réfé-rence maître

• Bobineuse, entraînement

et commande déflecteur

• Contrôle de force de laminage

• Contrôle de position

• Contrôle d’épaisseur

• Commande de bascule-ment

• Cintrage et décalage des cylindres

• Contrôle de planéité

...

Planéité

Les industriels exigent toujours plus de leurs automatismes. Fort heureuse-ment, les composants de systèmes embarqués contribuent à cette riches-se fonctionnelle. Des solutions d’auto-matisation avancées, telles la plate-forme étendue 800xA d’ABB, nécessi-tent l’intégration d’une multitude de technologies embarquées pour appor-ter ce surcroît de productivité récla-mée par tous. Confrontés à des usines appelées à être pilotées à distance, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et des années durant, il faut assurer une maintenance aisée de ces sites et pouvoir les reconfigurer en permanen-ce, sans jamais arrêter la production.

30 Revue ABB 2/2006

Embarquer pour mieux automatiserLe système d’automatisation étendue 800xA accueille de nombreuses applications embarquéesKai Hansen, Tomas Lindström, Lars Mårtensson, Hans Thilderkvist

31Revue ABB 2/2006

Embarquer pour mieux automatiser

On qualifie d’« embarqués » ou d’« enfouis » les systèmes autono-

mes à microprocesseur, intégrés dans une machine ou un équipement plus important en vue d’exécuter des tâ-ches spécifiques contribuant à la fonc-tionnalité globale de l’ensemble. Les contraintes auxquelles ils sont soumis varient grandement selon la nature du système d’accueil et ses fonctions.

Composants embarqués du 800xALes composants embarqués dans le système 800xA d’ABB lui permettent d’offrir de nombreuses solutions satis-faisant un large éventail d’exigences :

Temps réel : il est souvent capital qu’une tâche soit parfaitement traitée et achevée dans le délai qui lui est imparti. Dans cette optique, le systè-me 800xA se plie aussi bien au temps

réel « dur » et à ses strictes contraintes de réactivité qu’au temps réel « mou », plus souple.

Flexibilité : les composants embarqués peuvent se consacrer à une seule tâche prédéfinie ou assurer quantités de missions totalement différentes. Songez, par exemple, à la polyvalence d’un module d’entrées/sorties (E/S) industriel comparée à la « rigidité » d’une carte PC du commerce.

Disponibilité : dans la mesure où chaque processus a ses exigences de sécurité et de sûreté, le niveau de redondance d’un système doit impéra-tivement être adaptable.

Coût : le coût unitaire acceptable des composants embarqués est souvent étroitement lié à leur nombre. A cha-

que application se pose une question : ces composants se compteront-ils par milliers ou seront-ils installés à l’unité ?

Environnement : en milieu industriel, ces mêmes composants devront-ils être « durcis » aux phénomènes thermi-ques et vibratoires, et protégés des poussières ?

Des automatismes à intelligence distribuéeSystème d’automatisation étendue, le 800xA répartit son intelligence et sa puissance de calcul là où elles sont le plus utile 1 . Cette distribution peut prendre la forme de différents types de serveurs fournissant des services à leurs clients tout en se renseignant les uns les autres. En contrôle-commande, la logique de traitement peut se répar-tir entre plusieurs contrôleurs d’auto-


1 Vue d’ensemble d’une usine pilotée par le 800xA

System Servers

Workplaces

Remote Clients

Variable Speed Drives

Process Automation

S800 I/O

S900 I/O (Ex)

Safety

Client/Server level

Control level

Device level

Fieldbus High Speed Linking Devices (FF HSE/HI, PB DP/PA)

MCC

Process Automation and Safety

Control Network

32 Revue ABB 2/2006

matismes s’échangeant mesures et cal-culs. Le prétraitement est lui aussi multiforme : du simple filtrage d’E/S et horodatage de paquets de données aux fonctions poussées de prétraite-ment et de diagnostic au niveau cap-teurs/actionneurs. Des modules de communication dédiés servent de bus de scrutation des E/S.

Concrètement, les éléments constitu-tifs du système sont pour la plupart des composants embarqués dont la conception est optimisée pour des besoins précis.

Les modules d’E/S, dotés de fonctions simples de traitement de signal, peu-vent être entièrement réalisés en matériel, leur logique étant partielle-ment implantée dans une puce pro-grammable FPGA (Field Programma-ble Gate Array). Les E/S plus comple-xes de même que les capteurs/action-neurs « intelligents » embarquent des microcontrôleurs leur assurant davan-tage de souplesse fonctionnelle. Bon nombre d’entre eux s’appuient sur un

système d’exploitation temps réel (RTOS).

Les modules de communication peu-vent mettre en œuvre une pile proto-colaire en partie matérielle, en partie logicielle, avec un microprogramme tournant sur l’unité centrale embar-quée. D’où une certaine « division du travail » : à l’UC le traitement des messages acycliques, à la mémoire à accès direct (DMA) celui des messages cycliques, parfois accompagnée d’un circuit ASIC dédié.

Il est souvent capital qu’une tâche soit parfaite-ment traitée et achevée dans le délai qui lui est imparti.

Le module processeur de l’AC 800M utilise un RTOS commercial pour exécuter l’une des applications embar-quées les plus complexes et les plus souples. Ses fonctions sont pour

l’essentiel entièrement définies par l’utilisateur.

Client/serveurA ce niveau, plusieurs systèmes logi-ciels se conjuguent pour assurer des fonctions opérationnelles comme la présentation des mesures et de l’état du process aux opérateurs. Ils se char-gent également des études, de la mise en service et de la maintenance du système dans son entier. Ici, serveurs et PC standards sont bâtis sur la tech-nologie Windows plutôt que sur des systèmes embarqués, même si, là aussi, des solutions spécifiques (redondance des serveurs et du réseau, par exemple) garantissent la disponibilité de l’ensemble.

Contrôle-commandeC’est au niveau des contrôleurs d’auto-matismes que l’on trouve les systèmes embarqués les plus aboutis, où ils sont confrontés à de dures conditions (vibration , chaleur . . .). Un contrôleur doit aussi faire preuve de grande flexi-bilité pour prendre en charge une pa-noplie de fonctions, des simples com-mandes TOR à la régulation PID. ABB propose à cette fin toute une gamme de contrôleurs, le plus évolué étant le module processeur AC 800M 3 .

Pour répondre aux attentes de « com-municabilité », l’AC 800M multiplie les interfaces 4 : deux ports Ethernet pour dialoguer avec le niveau client/serveur et les autres contrôleurs ;


4 L’AC 800M en armoire


2 Environnement 800xA

3 Le module processeur de AC 800M, unité centrale du contrôleur

Redundancy Control Unit (RCU) Link Connector

Plug-in CPU unit

DIN-rail Back-plane unit

Power supply card

CPU card

Serial RS232 ports

Ethernet

Communication Expansion (CEX) bus

33Revue ABB 2/2006


le bus d’interconnexion Modulebus accueillant les modules d’E/S S800 ;

le bus d’extension CEX pour le rac-cordement de modules de commu-nication supplémentaires ;

deux ports série RS 232 ; une liaison RCU de commande de redondance.

La suppression de pièces mobiles comme les disques durs et les ventila-teurs garantit la fiabilité du contrôleur soumis à des conditions difficiles. Dans le module processeur AC 800M, programmes et données sont stockés en Flash PROM et en RAM ; grâce à l’efficacité énergétique de l’UC, l’unité n’est refroidie que par convection naturelle. Pour alléger la maintenance, l’usage de ventilateurs mécaniques est proscrit.

Bâtir le module processeur d’un systè-me d’automatismes sur un micro-contrôleur embarqué réduit le nombre de composants, les coûts et la consom-mation. Pour les applications nécessitant un supplément de logique sur silicium, on utilise un FPGA. Les ports Ethernet et série sont implantés dans le micro-contrôleur. De plus, un certain nombre de fonctions spécialisées, qui auraient pu être réalisées dans des unités logi-ques matérielles (Modulebus, CEX et RCU), prennent davantage la forme de blocs fonctionnels dans le FPGA.

Le tandem processeur-RTOS permet au logiciel d’exécuter plusieurs tâches pour une réponse temps réel des boucles de régulation et un dialogue réactif avec l’opérateur d’atelier.

La première grande priorité du modu-le processeur est d’exécuter les algo-rithmes de régulation du processus, à savoir les calculs définissant, par exemple, le temps d’ouverture et de fermeture des vannes, le démarrage des moteurs, leur vitesse de rota-tion . . . sans compter toutes les autres tâches de pilotage direct de la produc-tion. Ces calculs reposant sur des données d’entrée et de sortie, la logi-que de commande du processus est entièrement tributaire de la précision de lecture de ces valeurs. Le logiciel du système embarqué doit traiter cette logique et la scrutation des E/S avec assez de souplesse pour autoriser des modifications sans jamais perdre le contrôle de la production en cours.

Les éléments constitutifs du système sont pour la plupart des composants embarqués dont la con-ception est optimisée pour des besoins précis.

L’AC 800M doit sa haute disponibilité à la redondance de son UC. Or inté-grer la redondance dans des systèmes embarqués n’est pas chose aisée : cela exige une compréhension fine de tous les différents modes de défaillance d’un système, doublée d’une grande maîtrise des solutions de redondance aptes à gérer chaque type de défaillance. Le problème se corse lorsque certains processus ont plus d’importance que d’autres. Rien

de tel avec l’AC 800M qui peut détec-ter les défauts critiques et effectuer une sauvegarde de l’UC en moins de 10 ms !

CommunicationLe système 800xA comporte de nom-breux coupleurs bus ou réseau 5 .

Les automatismes industriels obéissent à plusieurs normes ou standards de communication entre les contrôleurs et la périphérie que constituent les blocs d’E/S, capteurs/actionneurs intelligents et autres appareils de terrain. L’AC 800M accepte bon nom-bre des grands protocoles internatio-naux normalisant les échanges dans l’atelier : PROFIBUS, Foundation Field-bus (FF), HART.

Les bus série, dont Modbus, et les protocoles pouvant être implémentés par l’utilisateur dans la logique de commande, figurent parmi les autres standards de communication de l’AC 800M.

Une troisième famille de protocoles assure la connectivité à d’autres pro-duits spécifiques, comme la comman-de de moteurs INSUM d’ABB, les variateurs de vitesse avancés ABB et divers systèmes d’E/S faisant appel à des protocoles « métier ».

Ces variantes de communication se matérialisent le plus souvent par des modules dédiés, couplés au module processeur par le bus CEX et se char-geant de la mise en œuvre des proto-coles et de l’échange des données process et de suivi d’état avec le module processeur par le biais d’une interface logicielle normalisée. Ces informations empruntent la mémoire double port du module de communi-cation, à laquelle accède le module processeur par le bus CEX.

Les contraintes temps réel d’un modu-le de communication sont parfois très complexes. A cela deux raisons : d’une part, les masses de données à traiter, d’autre part les critères temporels très stricts du protocole. Cela justifie l’emploi d’un module de communica-tion dédié, embarquant une UC locale, de préférence au simple ajout de composants matériels au module processeur.


5 Interfaces de communication de l’AC 800M

CI8

60

CI8

58

CI8

57

CI8

56

CI8

55

CI8

54

CI8

51

CI8

53

SM

810

PM

865

FF H

SE

Driv

eBus

INS

UM

S10

0 I/O

MB

300

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BU

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P

PR

OFI

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232

Con

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RS

232

34 Revue ABB 2/2006


Plutôt qu‘avoir recours à un module dédié supplé-mentaire sur le bus CEX, certaines options de commu-nication font appel à Module-bus. Ainsi, des variateurs de vitesse peuvent être directement raccordés à ce bus puisqu’ils utilisent le même protocole que les E/S S800.

Le protocole HART pour les capteurs/actionneurs intelligents est mis en œuvre par des modules d’E/S spéciaux qui ne se contentent pas de traiter les traditionnels signaux du process mais gèrent le signal de modulation par déplacement de fréquence (FSK), qui leur est super-posé.

Echange de cartes à chaudGarantir une haute disponibilité, c’est avoir la possibilité d’insérer ou de retirer les modules de communication sur le contrôleur en fonctionnement. Ainsi, si l’une d’elles tombe en panne, elle peut être remplacée par son équi-valente sans devoir redémarrer le con-trôleur ni interrompre la production. Cela facilite également la reconfigura-tion du contrôleur et le changement d’options de communication, là enco-re sans arrêter l’équipement. Entre-temps, la logique de commande et les liaisons de communication qui res-tent en place fonctionnent en continu. Le seul segment d’application touché par ces modifications est celui utili-sant précisément les données du module de communication à rem-placer.

Pour concrétiser cette stratégie, le logiciel du système embarqué qui accède aux modules de communica-tion prend en charge les unités présentant un brusque défaut de transmission, en configurant et en redémarrant une carte en bon état.

RedondanceCertains modules de communication gèrent la redondance. Les échanges avec des appareils sur PROFIBUS et FF HSE (Ethernet haut débit), par exemple, passent par des modules de communication doubles pour éliminer les points faibles non récurrents entre contrôleur et unité externe.

InstrumentationLe niveau équipements, avec ses E/S et capteurs/actionneurs intelligents, se situe à un échelon inférieur de la hiérarchie industrielle. Les blocs d’E/S TOR, par exemple, y sont en bien plus grand nombre que les contrôleurs. Le coût du composant est à prendre en compte ; c’est pourquoi des proces-seurs embarqués moins évolués sont plus répandus que les contrôleurs. Un simple ordonnancement des tâches est aussi préférable à un RTOS complet . . . même si le temps réel s’avère aussi important à ce niveau qu’à celui du contrôle-commande.

Il arrive que certaines composantes du système d’E/S aient besoin de « sécuri-té intrinsèque » pour être exploitées en zones à risques. On peut alors loger l’équipement dans un boîtier coûteux ou, mieux, utiliser des E/S à très fai-ble consommation d’énergie pour évi-ter la formation d’étincelle électrique. ABB propose un large choix de blocs d’E/S répondant à différents besoins, dont les E/S S800 6 .

Celles-ci se composent d’un grand nombre de modules aux caractéristi-ques matérielles et logicielles bien dif-férenciées. Un exemple : le matériel des E/S de sécurité S880 repose sur un microcontrôleur et un FPGA. Ces E/S sécurisées emploient une solution double, le microcontrôleur et le FPGA exécutant tout deux le protocole esclave Modulebus, ainsi que la logi-que des entrées, des sorties et des diagnostics. Les contraintes temps réel sont ici très strictes : quand un messa-ge est reçu du contrôleur, la réponse doit impérativement être transmise dans un délai maximal de 330 ms. A défaut, le contrôleur déclare le bloc hors service et passe au suivant. Les E/S doivent aussi gérer les données

de configuration et tous les messages d’erreur possibles.

AlimentationAutre critère majeur pour tous les dispositifs embarqués dans un système à haute disponibi-lité : l’alimentation. Les équi-pements doivent pouvoir détecter les surtensions et manques de tension. Les alimentations redondantes méritent d’être soigneusement

conçues pour éviter toute apparition de point faible.

Un haut niveau de flexibilitéLa profusion de systèmes embarqués dans l’industrie apporte son lot de solutions matérielles et logicielles hétéroclites. Difficile dans ces condi-tions d’organiser tous ces composants en un système cohérent ! Mais le jeu en vaut la chandelle. Nous l’avons vu dans cet article, la multiplicité des contraintes pesant sur les diverses composantes d’un système unifié est source d’hétérogénéité. Avec le 800xA, ABB optimise la convergence et l’inté-gration de matériels et logiciels em-barqués pour offrir un système fiable et sûr, offrant le large spectre fonc-tionnel réclamé par les industriels.

Des équipements et systèmes hors pair, bâtis sur les conseils d’utilisa-teurs avisés, continueront à améliorer l’automatisation et l’efficacité indus-trielles. Grand fournisseur mondial d’automatismes, ABB est une valeur sûre pour qui souhaite offrir aux in-dustriels les deux atouts de la réussi-te : performance et productivité.

Tomas Lindström

ABB Automation Technologies AB

Västerås (Suède)

[email protected]

Lars Mårtensson

Hans Thilderkvist

ABB Automation Technologies AB

Malmö (Suède)

lars.må[email protected]

[email protected]

Kai Hansen

ABB Corporate Research, ABB AS


[email protected]

6 E/S S800


Sous haute surveillanceL’intelligence embarquée dans les systèmes d’entraînement permet une gestion plus efficace de leur cycle de vie et des performances accruesMaciej Wnek, Michal Orkisz, Jaroslaw Nowak, Stefano Legnani

Si accompagner un bon produit avec une offre de services et des outils de maintenance pertinents permet d’optimiser ses performances et de minimiser ses coûts d’exploita-tion, une gestion efficace de son cycle de vie impose de connaître en continu son régi-me de fonctionnement, son degré d’usure, l’origine des défaillances et les interventions de maintenance. Un historique précis de l’état des actifs et de leurs performances ouvre la voie à une maintenance prédictive pour une réduction significative des coûts de maintenance et des risques de défaillance. Sans cette information, les performances se dégradent et les coûts de maintenance s’envolent.

Les équipes d’ABB MV Drives, en collaboration avec des chercheurs du Groupe, ont développé une solution logicielle DriveMonitorTM de suivi des performances d’un système d’entraînement moyenne tension (MT), avec télérelève des données d’état et historisation de leur exploitation. Le système, testé actuellement sur le chantier du tunnel du Saint-Gothard en Suisse, est un outil avancé de gestion du cycle de vie.

35Revue ABB 2/2006

36 Revue ABB 2/2006

Sous haute surveillance

générale. Premier aspect à prendre en compte, le périmètre de l’actif : s’agit-il d’un équipement isolé (ex., un varia-teur) ou d’une ligne de production complète. Deuxième aspect, la dispo-nibilité des données : depuis l’existant jusqu’aux systèmes spécifiques de me-sure des vibrations, du courant électri-que, de la corrosion, etc. Enfin, troisiè-me aspect : les niveaux croissants de contenu informationnel et de fonctions de diagnostic avec, d’un côté, une sim-ple valeur seuil et, de l’autre, des algo-rithmes avancés de prédiction de la durée de vie.

Pour contenir les coûts, les systèmes de maintenance doivent offrir souplesse et adaptabilité à une large palette d’actifs. Si les actifs de même nature supposent les mêmes interventions, leur criticité entre en ligne de compte. Prenons, à titre d’exemple, deux moteurs électri-ques identiques, le premier couplé à un ventilateur accessoire et le second en-traînant le ventilateur d’une installation critique de désenfumage. S’ils nécessi-tent les mêmes interventions de mainte-nance, le degré d’investissement diffère selon leur criticité.

Mais évolutivité ne signifie pas diver-sification des approches au vu des dif-férents aspects de la gestion du cycle de vie. Pour être efficace, un outil doit garantir interopérabilité et collec-te des données en un point unique ainsi qu’uniformité des interfaces, des

modes d’exploitation et des bilans. De multiples systèmes peuvent être combi-nés dans un projet d’intégration infor-matique, mais seul un outil évolutif permettra de véritablement optimiser la maintenance.

En résumé, le rôle de chaque actif de la chaîne de production doit être analysé pour déterminer et justifier le niveau d’investissement.

Un système performant de surveillan-ce et de diagnostic doit donc être : évolutif pour intégrer un ou plu-sieurs actifs (objets) ;

apte à appliquer des règles de com-plexité variable aux actifs : analyse vibratoire, analyse thermique, mesu-res électriques, données d’exploita-tion, statistiques et historiques, etc. ;

capable d’acquérir des données mul-tisources : systèmes d’entraînement, systèmes de contrôle-commande, outils de mesure vibratoire, saisies manuelles et actif en question.

C’est cette méthodologie qu’ABB a utilisée pour développer ses concepts et solutions d’optimisation et de sur-veillance des actifs ; DriveMonitor™ s’insère dans cette solution hautement évolutive 1 .

Variateurs ABB : des puits de connaissancesABB MV Drives conçoit et développe des variateurs de vitesse MT de même

1 Variateurs MT : une technologie aux applications multiples et une source précieuse d’informations

Java/.Net

Si Cu

Assembler

2 Architecture de DriveMonitor™

DriveMonitor™ Unit

Industrial PC

VPN

Router Firewall

Ethernet TCP/IP

Optical Fibers

ACS drivers1 ........... 5

NDBU 95

3 DriveMonitor™ ausculte le système

Toute installation technique regrou-pe des actifs d’une grande diversi-

té, allant du plus simple au plus complexe éventuellement doté d’intel-ligence et apte à s’auto-diagnostiquer, voire s’auto-corriger. Les équipements de grande valeur et critiques intègrent souvent leur propre système de super-vision ; or tous les actifs d’une chaîne de production sont des « informateurs » en ce sens qu’ils fournissent des don-nées soit directement grâce à des cap-teurs, soit indirectement en se faisant l’écho d’autres actifs de la chaîne dont tous les maillons requièrent une sur-veillance étroite.

Collecte et traitement des données à moindre coûtPour être efficaces, les outils d’un système de gestion de cycle de vie doi-vent s’adapter aux spécificités de cha-que type d’actif, ainsi qu’à sa valeur, sa criticité et la politique de maintenance


37Revue ABB 2/2006


que configure et optimise les produits au vu des applications des clients. Un coup d’œil rapide « sous le capot » d’un variateur permet de percevoir immédiatement la complexité de cette technologie pointue de commande des moteurs : câbles électriques et bar-res de cuivre, cartes électroniques, programmes en code assembleur et langages évolués de dernière généra-tion. Ses performances tout au long de sa durée de vie doivent être maxi-misées. Or les variateurs de vitesse, et notamment la gamme MT d’ABB, constituent des « puits de connaissan-ces », accumulant des données non seulement sur leur propre fonctionne-

ment, mais également sur le moteur qu’ils commandent, sur la machine entraînée voire sur toute la chaîne de production en aval. En extraire des informations pertinentes est l’amorce d’une démarche de gestion du cycle

de vie, partant du variateur lui-même pour s’étendre à toute la ligne de pro-duction dans laquelle il s’imbrique.

Gestion performante du cycle de vieUne démarche pragmatique de gestion du cycle de vie doit répondre aux questions suivantes : Que faire pour maintenir l’actif au summum de ses performances, aux coûts les plus bas ?

Quand faut-il intervenir ?

Dans l’idéal, l’actif doit intégrer suffi-samment d’intelligence pour fournir lui-même les informations à l’opéra-teur. Autre solution : ajouter de l’intel-ligence sous la forme d’un système embarqué pour exploiter toute la richesse des données traitées par le variateur.

Telle est la vocation du système DriveMonitor™. D’une part, il surveille et analyse en continu l’état et le fonc-tionnement du variateur, identifie l’origine des défauts et permet d’entrer dans l’ère de la maintenance prédicti-ve. D’autre part, il constitue une plate-forme d’accueil pour des extensions qui, à partir des signaux du variateur, permet à l’opérateur de visualiser l’état de l’arbre moteur complet, de collecter des indicateurs clés de performances, etc. Qui plus est, les clients ont accès, via la Support Line1) d’ABB, à une équipe de spécialistes de la télésur-veillance et du télédiagnostic.

Intelligence, évolutivité et sécuritéDriveMonitor™ comprend une compo-sante matérielle et une composante logicielle 2 . La première est un PC industriel durci et communicant, monté d’origine dans les variateurs MT d’ABB les plus puissants (égale-ment disponible séparément pour les modèles existants). La couche logiciel-le collecte et analyse automatique-ment une sélection de signaux et de paramètres du variateur. Pour une sécurité maximale, les données empruntent un réseau privé virtuel.

Pour contenir les coûts, les systèmes de mainte-nance doivent offrir sou-plesse et adaptabilité à une large palette d’actifs.

Le défi majeur de l’évolutivitéLe logiciel offre une souplesse extrê-me en termes de configuration des règles de diagnostic, d’actifs pouvant être surveillés, de fonctionnalités d’alarme et d’édition de rapports, et de sources de données. Compatible avec les produits de surveillance d’actifs d’ABB, DriveMonitor™ est une porte ouverte vers les solutions de gestion et d’optimisation des actifs. Il s’intègre aisément dans les systèmes d’automatisation étendue avec la plate-forme 800xA d’ABB, d’autres systèmes pouvant lui être raccordés via des ser-veurs OPC2). Il peut surveiller un seul entraînement ou plusieurs gros systè-mes d’entraînement et interpréter d’autres signaux de mesure : corro-sion, vibrations, températures, etc. La surveillance est horodatée à la milli-seconde sur une base annuelle avec actions et alarmes événementielles, etc. Les différentes composantes du systè-me peuvent être raccordées à diffé-rents ordinateurs. Ainsi, par exemple, plusieurs systèmes seront configurés en parallèle pour surveiller des instal-lations importantes et rapatrier les résultats vers un PC central afin de faciliter la tâche des opérateurs.

4 Des informations multisources pour identifier l’origine des défauts


Notes1) ABB Support Line est l’une des offres de services

de l’activité MV Drives.2) OLE for Process Control

Pour être efficaces, les outils d’un système de gestion de cycle de vie doivent s’adapter aux spécificités de chaque type d’actif, ainsi qu’à sa valeur, sa criticité et la politique de maintenance générale.

38 Revue ABB 2/2006


Evolutivité matérielleLes variateurs MT sont des produits aux configurations très diverses. Selon les besoins de l’application, ils regrou-pent plusieurs ponts redresseurs et ponts onduleurs, pouvant être sur-veillés individuellement. Pour collecter rapidement des données fiables, plu-sieurs DriveMonitor™ peuvent former un système où sont rapatriées toutes les données acquises. Ici encore, le PC central peut se situer dans une salle spécifique. Enfin, plusieurs systèmes similaires peuvent être configurés pour des entraînements multiples.

ABB MV Drives conçoit et développe des variateurs de vitesse MT de même que configure et optimise les produits au vu des applications des clients.

Domaine d’applicationLa fonction première de DriveMoni-tor™ est d’« ausculter » la partie varia-teur d’un entraînement à vitesse varia-ble 3 en surveillant continuellement l’état du variateur et en réagissant à toute modification d’état du fait d’un défaut (arrêt intempestif du variateur), d’une alarme (franchissement d’un seuil), d’un paramétrage utilisateur ou encore d’alarmes générales déclen-

chées par DriveMonitor™ et spécifi-ques à l’application. Lorsqu’un événe-ment survient, le logiciel enregistre les données d’état et entame une analyse approfondie des sous-systèmes de l’entraînement 4 . Ces données jouent un rôle clé dans l’identification de l’origine de l’événement. Sans ce type d’outil, le temps que le technicien de maintenance arrive sur place, cette information est perdue alors que cer-tains événements (ex., franchissement de seuils d’alarme) sont des signes précurseurs de défaut. Donc, Drive-Monitor™ fournit des informations précieuses pour rapidement supprimer les défauts, identifier les composants défectueux et ainsi augmenter les temps d’utilisation des actifs du client.

En ajoutant des fonctions de diagnos-tic, DriveMonitor™ peut surveiller le fonctionnement d’autres composants de l’entraînement de puissance : dis-joncteur, transformateur et machine entraînée. Au niveau supérieur, des fonctionnalités métiers (laminoirs, pompes à eau et compresseurs) peuvent être intégrées au système au gré des besoins du client. De même, des mesures autres que les signaux du variateur peuvent être ajoutées. Dans ce cas, le logiciel, qui traite déjà des données multisources, peut héberger un certain nombre de solutions « sur étagère ». Ses fonctions de diagnostic viennent enrichir tout programme de

gestion des actifs industriels comme la solution d’optimisation des actifs d’ABB.

Vue d’ensembleLes équipes Support Produits d’ABB garantissent l’intégration des varia-teurs de vitesse dans les politiques de gestion du cycle de vie. Si les outils de diagnostic comme DriveMonitor™ jouent un rôle central, ils s’inscrivent dans une offre élargie et intégrée de services qui englobe contrats de main-tenance, résolution des problèmes, gestion du stock de pièces de rechan-ge et optimisation des performances des actifs.

DriveMonitor™ surveille continuellement l’état du variateur et réagit à toute modification d’état.

ConclusionJouant un rôle complexe dans les procédés industriels, les variateurs de vitesse génèrent et ont accès à de grandes quantités de données. Bien que servant normalement aux fonc-tions de commande du variateur, ces données, disponibles sans nécessiter aucune mesure, peuvent également être utilisées à des fins de diagnostic. La solution DriveMonitor™ d’ABB exploite ces données au plus grand bénéfice de ses clients. Ainsi, parmi les différentes applications, citons le chantier du tunnel du Saint-Gothard 5 où une imposante machine d’extrac-tion, commandée par un variateur ACS6000, évacue les déblais remontés sur 800 m. Le système DriveMonitor™ optimise à la fois les performances et la maintenance de cette machine essentielle à l’avancement du tunnel.

Maciej Wnek

Michal Orkisz

Jaroslaw Nowak

ABB Corporate Research

Cracovie (Pologne)

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Stefano Legnani

ABB MV Drives

Turgi (Suisse)

[email protected]

5 DriveMonitor™ : un expert au cœur des sites les plus difficiles d’accès (chantier du tunnel du St-Gothard en Suisse).


Douée d’ubiquité, l’informatique « dif-fuse » annonce une nouvelle ère tech-nologique où la puissance de traite-ment fait littéralement corps avec notre environnement au lieu d’être circonscrite à des machines bureauti-ques ou portables. Cette vision globa-le du futur a encouragé l’émergence d’un certain nombre de domaines de recherche étroitement définis, dont les réseaux de capteurs sans fil.

Un réseau de capteurs sans fil (RCSF) se compose d’une multitu-

de d’appareils instrumentés, nomades ou éparpillés, effectuant un grand nom-bre de mesures (température, acousti-que, vibrations, pression, suivi de dé-placement, détection de polluants). Ces unités autonomes sont dotées d’un microcontrôleur, d’une alimentation (pile ou batterie, le plus souvent), d’un émetteur-récepteur radio et d’un dispo-sitif de mesure et de détection 1 .

Bridés par leur autonomie énergétique, les nœuds de capteurs sont d’emblée conçus pour se mettre en sommeil le plus clair de leur temps et optimiser ainsi leur consommation électrique. Ils savent aussi s’organiser tout seuls, sans infrastructure établie (architecture ad hoc), et s’autoréparer : la défaillance d’un nœud n’affecte en rien le réseau qui trouvera de nouveaux chemine-ments pour ses paquets de données. Il n’y a donc aucun risque de paraly-

sie, même si certains nœuds ne sont plus alimentés ou hors service !

Sujet de prédilection des chercheurs, cette vision quelque peu classique des RCSF trouve des usages prometteurs, quoique cantonnés au domaine de la surveillance environnementale, comme la détection des feux de forêt. Les implanter en milieu industriel nécessi-te d’élargir et d’affiner leur définition.

Les réseaux de capteurs en automatisation industriellePlusieurs facteurs obligent à revoir la définition des réseaux de capteurs dans l’industrie. Premier élément diffé-renciateur : tous les capteurs d’un site sont indispensables à son exploitation. Autrement dit, la perte d’un nœud est inacceptable, même si le réseau reste globalement opérationnel. Un nœud défaillant doit obligatoirement être remplacé. Vient ensuite le critère essentiel de la durée de transmission.

Si, dans un RCSF classique, il importe peu de connaître le temps que mettra un paquet de données à atteindre son destinataire, dans une application in-dustrielle, la transmission devra impé-rativement respecter un délai « borné ».

Enfin, contrairement aux RCSF stan-dard, les solutions de communication industrielle sans fil reposent générale-ment sur une infrastructure câblée. Les données remontées des capteurs par-courent de proche en proche les diffé-rents nœuds du réseau pour converger vers un point de collecte câblé. De là,

39Revue ABB 2/2006

Réseaux de capteurs sans filchampions des économies d’énergieNiels Aakvaag, Jan-Erik Frey

1 Composant autonome de réseau de capteurs sans fil

CapteurÉmetteur/récepteur

radioAlimentation

UC/Mémoire

40 Revue ABB 2/2006

Réseaux de capteurs sans fil

capteurs sans fil sur tout le site, il faut alléger au maximum les travaux de configuration manuelle. De plus, une configuration « prête à l’emploi » auto-rise le déploiement de réseaux de capteurs temporaires, à des fins de maintenance ou de dépannage.

Les nœuds de capteurs savent s’organiser tout seuls, sans infrastructure établie (architecture ad hoc).

Contraintes applicativesLes exigences de tout RCSF seront toujours fortement tributaires de l’application. En témoignent deux cas d’école, étudiés ci-après : la produc-tion manufacturière et la surveillance d’actifs industriels.

Tous deux partagent les mêmes impé-ratifs de basse consommation, même si leur approvisionnement énergétique est varié (stockage sur batteries, énergie captée sur l’environnement, transfert d’énergie sans fil comme le couplage inductif . . .). Dans les deux cas, l’appareil ne peut pas dépasser une consommation supérieure, en moyenne, à quelques milliwatts.

Dans le manufacturier, le temps de réaction ou « latence » du système est capital ; on définit pour cela un délai imparti maximal (quelques dizaines de millisecondes), au-delà duquel le fonctionnement du système n’est plus garanti. Par contre, la surveillance d’actifs industriels ne demande pas un tel niveau de criticité : certes, il dépend tout naturellement de l’actif

sous contrôle, mais des temps de rafraîchissement se comptant en minu-tes, voire en heures sont monnaie courante.

La fiabilité est un troisième paramètre de choix. Selon les spécificités de l’application, il existe plusieurs maniè-res d’améliorer les chances d’un messa-ge de parvenir à bon port. Accroître la redondance est une première solution : le message peut emprunter des trajets distincts (diversité spatiale), occuper différentes fréquences radio (diversité fréquentielle) ou créneaux de temps sur cette même fréquence (diversité temporelle) ou encore utiliser diverses techniques de modulation. Par sa com-plexité, cette dernière méthode devrait se cantonner à des applications où les exigences sont extrêmement strictes et le facteur coût négligeable.

La bureautique et les biens de consom-mation sont aujourd’hui les deux principaux moteurs du sans-fil : ces secteurs de production en grands volumes mettent en œuvre des équi-pements dont la durée de vie est rela-tivement courte. A l’opposé, l’indus-trie table sur une bien plus grande longévité. Il faut donc apporter un soin particulier à l’intégration des composants sans fil dans l’outil indus-triel. La modularité, tant matérielle que logicielle, est cruciale : elle doit optimiser la maintenance des appa-reils (à base de composants sur étagè-res), tout au long de leur cycle de vie.

EnjeuxUn système embarqué peut se définir de multiples façons : « . . . dispositif informatique spécialisé, intégré ou ‹ enfoui › dans un système plus large ou une machine avec lequel il est inter facé . . . » [1] en est un bon exem-ple. Le mot à retenir ici est « spéciali-sé ». Un système embarqué se caracté-rise par une fonction et une mission précises. Lorsqu’il s’agit de bâtir un système dédié, tel un RCSF, celui-ci a ses propres exigences, spécifiques à la problématique de l’application.

La conception d’un système embarqué englobe à la fois des aspects matériels et logiciels, intimement liés ; la solu-tion optimale, si tant est qu’on puisse la trouver, impose une étroite imbrica-tion de ces deux composantes.

elles empruntent en général un bus haut débit pour atteindre un contrôleur. Traditionnellement maillés, les RCSF peuvent adopter deux topologies cou-rantes dans l’industrie 2 : en configura-tion étoilée, la plus répandue à ce jour, les nœuds sans fil dialoguent avec un équipement jouant le rôle de « passerel-le » avec un réseau câblé. Une autre so-lution, intermédiaire, se profile : utiliser des routeurs (souvent alimentés sur secteur) pour s’interfacer avec la passe-relle. Les capteurs, qui se contentent de communiquer en point à point avec les routeurs, peuvent alors conserver leur simplicité et faible consommation d’énergie, tandis que la portée et la redondance du réseau sont améliorées.

BénéficesLes atouts de la communication sans fil dans l’industrie sont légion. Outre une fiabilité accrue, l’argument le plus avancé est le faible coût d’installation. Les sites industriels sont souvent des milieux hostiles imposant de lourdes contraintes à la nature et à la qualité du câblage. S’affranchir du câble est donc le premier gisement d’écono-mies. C’est aussi vrai dans le cas de la modernisation d’un site, d’ores et déjà saturé, qu’il s’avère difficile d’encom-brer de câbles supplémentaires.

Même si sa définition académique n’est pas directement applicable au contexte industriel, le RCSF met en jeu de nouvelles technologies réseau qui contribuent à abaisser le coût d’installation des capteurs sans fil. Son architecture ad hoc facilite sa mise en place et sa configuration, deux tâches à ne pas sous-estimer en cas d’exten-sion du réseau. Pour disséminer ces


2 Principales topologies de réseaux de capteurs sans fil

G

S

RG

GSS

S S

R R

R

S S

S

S S

R

S S

S S

S

S S

S

SS

S

S S S

R SG Gateway S Sensor Router Sensor with router

41Revue ABB 2/2006


Briques technologiquesUn aspect important des RCSF réside dans la nécessité de ré-duire au minimum la consom-mation d’un nœud, tout en garantissant un maximum de performance aux utilisateurs.

Cette approche basse consom-mation impose des compo-sants peu gourmands en éner-gie. D’apparence triviale, la démarche se révèle souvent complexe. Premier paramètre visé : la consommation, en temps normal, du processeur, du capteur, de l’émetteur- récepteur radio et d’autres composants, comme la mémoire externe et les périphériques. Opter pour des ressources basse consommation oblige à des compromis sur la performance. D’ordinaire, un processeur de faible puissance tourne à une fréquence d’hor-loge réduite en ayant moins de fonction-nalités intégrées que ses homologues plus énergivores. L’astuce consiste à choisir des éléments tout juste assez performants pour remplir leur mission.

Il importe de minimiser la consomma-tion en mode veille ; pour cela, il est souvent possible de couper l’alimenta-tion du capteur et de l’émetteur- récepteur. Le processeur, par contre, exigera une autre forme de mise en sommeil, désactivable en temps utile. Une basse consommation dans ce mode est déterminante pour la facture énergétique globale.

Signalons un aspect souvent négligé : le temps nécessaire pour allumer et éteindre ces éléments. L’émetteur- récepteur, par exemple, aura besoin d’un délai minimal pour stabiliser ses oscillateurs. Entre-temps, émetteur- récepteur et processeur consomment de l’énergie : il faut donc minimiser ce gaspillage. Cela est aussi vrai pour alimenter ces deux composants.

Enfin, il convient de s’assurer que tous les éléments nécessaires sont sous contrôle du processeur qui, en vérita-ble coordonnateur du système, maîtri-se la totalité de ses blocs fonctionnels.

La problématique « système »Souvent, le protocole de communica-tion est imposé. Le but est d’utiliser les

ressources disponibles dans les limites acceptables sans jamais rien avoir à alimenter de superflu. Cela revient à allumer et à éteindre des unités comme le capteur, le processeur et l’émetteur-récepteur, à point nommé. Prenons l’exemple d’un nœud dormant qui doit se réveiller à intervalles réguliers pour transmettre sa mesure, mais seulement lorsque celle-ci s’écarte du précédent relevé de plus d’une certaine valeur. Une fois la mesure transmise sur le canal radio, l’unité attend un message d’acquit lui confirmant la bonne récep-tion du paquet de données. Le compor-tement souhaité du logiciel est mieux expliqué sous la forme d’un diagramme schématisant l’état présent du logiciel, les événements pouvant entraîner son changement d’état et les actions asso-ciées à chaque transition 3 .

Notons que, dans le système décrit, les unités ne sont alimentées qu’à bon escient, minimisant ainsi leur consom-mation électrique.

En configuration étoilée, les nœuds sans fil dialoguent avec un équipement jouant le rôle de « passerelle » avec un réseau câblé.

Questions de protocoleAu-delà de cette double contrainte d’électronique basse puissance et de mise en veille/réveil « intelligents » des unités, le protocole de communication joue un rôle majeur dans le bilan énergétique du système.

Des détails du protocole fixent les seuils inférieurs de la consommation électrique. Certains protocoles sont répu-tés pour leur piètre efficacité ; dans ce cas, aucune program-mation de logiciel embarqué au monde, aussi fine soit-elle, ne saura ramener la consom-mation à un niveau acceptable. A l’inverse, d’autres protocoles sont d’emblée conçus dans une optique de faible consom-mation, sans dégrader les per-formances de la transmission. L’interface WISA1) (Wire less Interf ace to Sensors and Actua-tors) [2], [3] en fait partie. Son

haut niveau de performances s’appuie sur deux tech niques : le saut unique et le multiplexage temporel. La première gomme les retards de transmission au niveau des nœuds intermédiaires ; la seconde garantit l’occupation du canal par un seul nœud, écartant tout risque de collision.

ZigBee [4] et son protocole normalisé 802.15.4 sont certes plus généralistes, mais moins performants. Dans un r éseau multisaut, un message peut transiter par plusieurs relais radio avant d’atteindre sa cible. Les nœuds n’ont pas d’allocation de créneaux temporels pour transmettre mais doivent se partager le canal en accès multiple ; si davantage d’utilisateurs peuvent ainsi accéder au support, cette méthode a le défaut d’ajouter son lot d’incertitudes tout en augmen-tant le retard et la consommation lorsqu’un nœud doit attendre son tour. Plus embêtant, les nœuds inter-médiaires ne savent pas quand relayer la transmission. Il est donc conseillé de faire appel à des nœuds inter-médiaires « routeurs », alimentés sur secteur 2 .

Bref, WISA est un protocole bien adapté aux exigences de la produc-tion manufacturière, tant que la condi-tion du saut unique est satisfaite. A l’inverse, ZigBee est le candidat idéal pour les applications de surveillance d’actifs.

Différentes méthodes matérielles et logicielles ont un impact direct sur la consommation d’énergie des appareils 4 . Rien n’a été fait pour quantifier ces

3 Evénements et actions entraînant un changement d’état du logiciel

EVENT_timer_wakeACTION_power_up_CPU

ACTION_power_up_sensor

EVENT_difference_largeACTION_power_down_sensor

ACTION_power_up_radioACTION_send_value

EVENT_acknowledge_OKACTION_power_down_radioACTION_power_down_CPU

EVENT_difference_smallACTION_power_down_CPU

ACTION_power_down_sensor

SLEEP WAIT_FOR_VALUE

WAIT_FOR_ACKNOWLEDGE


4 Composants matériels/architectures logicielles agissant directement sur la consommation énergétique des appareils

Architecture logicielle

Pro

toco

le

Mécanisme de synchronisation (scrutation, créneaux temporels fixes…), méthode de modulation, techniques de transmission RF…

Taille des paquets de données (bits utiles, en-tête, champ CRC…)

Accès au support sans contention (ARMT, par ex.)

Accès au support avec contention (CDMA, par ex.)

Saut unique Sauts multiples

Arrêt des composants en période d‘inactivité

Temps d‘arrêt/redémarrageCommande

par UCConsommation électrique en temps normalConsommation électrique

en mode veille

Composants matériels

42 Revue ABB 2/2006


effets, qui dépendent du RCSF à déve-lopper.

Modularité obligeMot d’ordre des concepteurs soucieux de réutiliser les composants, la modu-larité n’en a pas moins ses contrain-tes ; il faut en outre s’assurer que les interfaces entre modules, tant maté-riels que logiciels, sont assez généri-ques pour autoriser leur portabilité.

Un exemple classique de ce cloisonne-ment étanche des modules nous est donné par le protocole de communi-cation et le logiciel applicatif ; ce der-nier est invariablement écrit par ABB, tandis que le premier est souvent acquis auprès d’un tiers. Intégrer ces deux composants sur un même micro-contrôleur n’est pas rien. Sans parler de la gestion des nouvelles versions, de la correction des bogues et de la documentation, quand le logiciel tour-nant sur le même processeur a plu-sieurs sources. Le risque de « sous- optimisation » est également élevé puisque les deux modules logiciels sont maximisés en termes de puis-sance, de performance, de taille du code . . . chacun de son côté, la somme de ces efforts ne débouchant pas forcément sur un optimum global.

La modularité joue aussi à un niveau inférieur. Le protocole de communica-

tion peut s’apparenter à un empile-ment de blocs ou « couches d’intercon-nexion OSI ». Partant d’une bonne pro-cédure de conception, la source de chacune de ces couches peut être dif-férenciée. A l’évidence, plus le code est morcelé, plus il gagne en modula-rité, mais c’est au prix d’une sous- optimisation bien peu satisfaisante.

Normes en présencePlusieurs initiatives de normalisation portent aujourd’hui sur les RCSF in-dustriels. L’une des plus en vogue est ZigBee, spécification de réseau local radio à faible puissance, bas coût et débit limité, aux visées résidentielles (appareils électroménagers, jouets) et industrielles. L’alliance ZigBee [4] planche depuis peu sur un profil dédié à la surveillance des sites de production.

Autre initiative d’importance, la spéci-fication HART sans fil [5], prolonge-ment du protocole bien connu, ouvre ce marché à la vaste communauté des utilisateurs HART. Elle y stipule des profils et cas d’emploi, directement applicables au contrôle-commande industriel sans fil.

Troisième initiative d’actualité : la norme SP100 de l’ISA [6]. Au lieu de standardiser tous les éléments du système, la SP100 ne spécifie que les

plus hautes couches de la pile proto-colaire, en ménageant plusieurs possi-bilités d’implémentation aux niveaux inférieurs.

Il est encore trop tôt pour dire laquel-le de ces initiatives l’emportera. Le choix final appartiendra aux clients, sensibles à la performance et à la disponibilité des produits. Reste à adopter au mieux la norme dominan-te, c’est-à-dire à l’optimiser tout en remplissant les exigences critiques de l’application, sans oublier de la faire évoluer efficacement.

Avec l’avènement des RCSF, de nom-breuses technologies porteuses inves-tissent le monde de l’automatisation industrielle. Le premier défi consiste à économiser au maximum l’énergie consommée par les nœuds capteurs et à garantir aux utilisateurs des per-formances optimales. Le second porte sur la conception d’un système modu-laire facilitant la maintenance des appareils tout au long de leur durée de vie, dans le respect, rappelons-le, de toutes les exigences applicatives.

Niels Aakvaag



[email protected]

Jan-Erik Frey

ABB Automation Technologies

Västerås (Suède)

[email protected]

Bibliographie

[1] D’après Webopedia, http://www.webopedia.com/

TERME/embedded_system.html

[2] Jan-Erik Frey, Andreas Kreitz, Guntram Scheible,

« Connecter sans brancher – 1ère partie : le sans-fil

revisité », Revue ABB 3/2005

[3] Jan-Erik Frey, Jan Endresen, Andreas Kreitz, Gun-

tram Scheible, « Connecter sans brancher – 2ème

partie : le sans-fil à la conquête de l’usine », Revue

ABB 4/2005

[4] Alliance ZigBee, http://www.zigbee.org

[5] HART Communication Foundation,

http://www.hartcomm.org

[6] ISA-SP100, http://www.isa.org

Note1) Technologie ABB s’appuyant sur un matériel banali-

sé à bas prix (émetteurs-récepteurs radio 2,4 GHz)

et un protocole visant spécifiquement les contrain-

tes temps réel des automatismes de terrain.


L’engouement pour Ethernet chez les industriels tient en partie à son

avantageux rapport performance/coût au regard des solutions de communica-tion traditionnelles et à la coexistence de plusieurs supports physiques (fibre optique, câble et sans-fil) sur le même réseau. Ethernet séduit aussi par sa messagerie TCP/IP (Transmission Con-trol Protocol/Internet Protocol) qui per-

met de gérer une architecture réseau uniforme : de quoi rationaliser le dé-ploiement et la maintenance des infra-structures, tout en économisant sur la formation et les pièces de rechange.

Les exigences de communication en bureautique ne sont pas les mêmes que dans l’industrie, tout comme les besoins des équipements embarqués sont aussi

variés que les applications les héber-geant. L’une des contraintes caractéristi-ques du milieu industriel est la réactivi-té en temps réel. Quand des solutions de communication interviennent dans une boucle de régulation, le temps de réponse acceptable est un paramètre crucial, subordonné aux lois physiques ou chimiques du process sous sur-veillance : si la régulation de courants

Les systèmes de contrôle-commande industriel intègrent un grand nombre d’équipements embarqués (capteurs, actionneurs, contrôleurs

d’automatismes . . .) dialoguant avec l’informatique de production et de gestion pour piloter une myriade d’applications : procédés continus,

production et distribution d’énergie, construction automobile, clima-tisation de centres commerciaux . . . ABB est un grand fournisseur

de systèmes de conduite et d’équipements embarqués dédiés à ces applications. Si certaines se contentent d’un contrôle-commande de faible technicité, à base de dispositifs isolés, de plus en plus de clients veulent des équipements communi-cants, capables de renseigner à la demande et en temps réel les opérateurs d’atelier.

Cette vertu de la « communicabilité » fait partie intégrante de l’offre ABB, au même titre que sa facilité d’emploi et sa fiabilité. Nos clients peuvent choisir leur appareil en fonction des besoins et miser d’office sur la qualité et la performance des communications ABB. Autre critère décisif : l’irrésistible avancée d’Ethernet sur le marché des transmissions industrielles et, dans la foulée, l’enrichissement de la gamme ABB d’équipements compatibles avec ce réseau universel.

Montée en débit sur EthernetLa famille des produits compatibles Ethernet d’ABB s’agranditKai Hansen

43Revue ABB 2/2006

44 Revue ABB 2/2006

Montée en débit sur Ethernet

Ethernet/IP, Modbus/TCP et certaines solutions « métiers » axées sur le posi-tionnement et la synchronisation multi-axes (Motion Control).

La limite théorique du débit de trans-mission sur câble et fibre Ethernet ne pose pas de problème pour la plupart des applications d’automatisation. N’oublions pas pour autant que la vitesse des unités centrales des dispo-sitifs embarqués peut freiner le flux sur le réseau : une lacune à combler. L’efficacité avec laquelle la pile proto-colaire est mise en œuvre dans l’équi-pement embarqué est LA question épineuse du débat sur le débit. Si la bande passante est bridée par la capa-cité du processeur à traiter le protoco-le, rien ne sert de faire migrer une toute petite UC proche du terrain d’Ethernet à 10 Mbit/s au Gigabit sous prétexte d’accroître le débit. Au demeurant, une bande passante de 10 Mbit/s suffit d’ordinaire à ce type d’équipement. Parcourir efficacement les différentes couches de la pile de communication impose de modifier certains protocoles associés tradition-nellement à l’Ethernet bureautique ou de les coupler à d’autres protocoles.

Débit et fiabilité sont les deux grands critères de choix d’une solution de communication.

La comparaison des délais d’un trafic UDP/IP exécutant Windows XP sur Pen-tium 2,5 GHz 1 est éloquente : malgré sa célérité, le processeur passe le plus clair de son temps à traiter le message ; sur Giga Ethernet, les retards induits par le réseau sont en effet minimes.

Les aléas du temps réelLe temps réel pose un problème parti-culier aux bons vieux réseaux Ethernet sur câble coaxial ou dotés de concen-trateurs. Ces systèmes étaient capables de détecter les collisions de sorte que si deux participants décidaient d’émet-tre au même moment (ou presque), leurs paquets de données respectifs étaient perdus, chacun s’efforçant de retransmettre au bout d’un temps qua-si aléatoire. Une succession de colli-sions augmentait d’autant le temps de propagation qui devenait difficilement

prévisible. Ce point faible a été résolu avec les nouvelles versions d’Ethernet équipées de commutateurs (capables de gérer la priorité des télégrammes) et transmettant en duplex (émission et réception simultanées) : les collisions sont évitées. Chaque équipement est relié par un câble dédié au commuta-teur qui se charge de stocker provisoi-rement et de transmettre tous les pa-quets de données. Si le port donnant sur le prochain commutateur ou dispo-sitif est occupé, le commutateur met le paquet en attente, puis l’envoie dès que le port se libère. Ce mécanisme assure une réponse temps réel compa-tible avec l’immense majorité des applications industrielles. Pour des domaines plus exigeants (commande d’axes, par ex.), il est possible de modifier le protocole de bas niveau Ethernet pour obtenir un système résolument déterministe à découpage temporel, un canal ou cycle de com-

alternatifs haute tension, par exemple, se satisfait de temps de réaction de quelques millisecondes, la commande d’axes exige de passer sous la barre de la milliseconde. Pour des réactions chi-miques, bien plus lentes, un délai d’une seconde entre la commande d’une action et son exécution est acceptable, mais le respect des strictes contraintes de temps reste de mise. Et pour cause : une fois lancée, la réaction n’attend pas ! Les transmissions industrielles doi-vent s’adapter à ce lot d’exigences, soit en employant une solution unique, soit en multipliant les technologies.

Surenchère technologiqueDébit et fiabilité sont les deux grands critères de choix d’une solution de communication. Là encore, chaque application a ses impératifs. Les besoins en bande passante peuvent jouer sur les capacités temps réel d’un système puisqu’un réseau fortement sollicité ris-que de ne plus réagir dans le délai im-parti. Le support physique d’une solu-tion de communication dicte les choix de conception. Ethernet sur cuivre et fibre optique est remarquable d’effica-cité et très peu parasité, les pertes dues aux interférences étant minimes. Le sans-fil affiche une moindre fiabilité et davantage de pertes de données. Cer-tes, il incombe au protocole de garantir la réémission des données perdues, mais c’est au détriment du débit et de la réactivité temps réel. Si, par ailleurs, le câble ou la fibre sont gravement endommagés, aucun logiciel ne saura faire aboutir la communication. Cet obstacle ne peut être levé qu’avec des interfaces de communication redon-dantes, voire tri-redondantes (double ou triple câblage cuivre/optique), ce qui complique l’interface utilisateur.

Ces dernières années, les automaticiens ont plébiscité le bus de terrain pour relier leurs équipements de production et Ethernet pour raccorder terminaux, serveurs et automatismes. La tendance est aujourd’hui à faire descendre Ether-net vers le terrain où il doit concilier trois exigences grandissantes de l’ate-lier : temps réel, fiabilité et sécurité. D’où l’intérêt de solutions embarquées compatibles Ethernet et l’importance de la normalisation des protocoles de communication sur Ethernet. Parmi les prétendants, les plus prometteurs sont Foundation Fieldbus HSE, PROFInet,


45Revue ABB 2/2006

Montée en débit sur Ethernet

munication temps réel court-circuitant, à intervalles régu-liers, la pile TCP ou UDP/IP pour réduire les temps de traitement : un mécanisme adopté par PROFInet et sa fonctionnalité temps réel iso-chrone (IRT), EtherCAT, Ether-net Powerlink et Sercos III.

Par ailleurs, le temps réel « dur » de la commande d’axes peut être maîtrisé en synchronisant les horloges locales 2 . On utilise pour cela des trames Ethernet standard, même si la technique n’est pas sans difficultés de mise en œuvre. Un nœud du réseau est désigné « horloge maître » pour délivrer la référence temporelle sur laquelle viennent se caler tous les sous-systèmes raccordés. Les protoco-les de référence en la matière sont NTP (Network Time Protocol), SNTP (Simple NTP) et PTP (Precise Time Protocol), normalisé IEEE 1588. Un certain nom-bre de produits ABB se plient à cette standardisation : c’est le cas du contrô-leur d’automatismes répartis AC 800M avec SNTP et du robot PicMaster, con-forme IEEE 1588. La principale source d’incertitude temporelle dans ce syn-chronisme d’horloge est la gigue intro-duite par l’exécution du logiciel horo-datant l’arrivée du télégramme Ethernet au nœud. Il est capital que cet horoda-tage soit le plus rapide possible : il doit

avoir lieu dans le premier programme d’interruption pour Ethernet, voire plus tôt, à savoir dans le matériel, avant démarrage du système d’exploitation des unités embarquées. Une bonne implantation logicielle peut rogner quelques microsecondes au processus, et une solution matérielle prétendre à une précision avoisinant les 100 nano-secondes.

Ethernet, protocole sûrSi le système sous contrôle présente un risque sanitaire pour la population ou l’environnement, les pouvoirs pu-

blics veulent s’assurer que des mesu-res et organes de sécurité ad hoc sont opérationnels, en conformité avec les normes internationales, dont la CEI 61508 définissant des niveaux SIL (Safety Integrated Level) pour l’équipe-ment et la communication. Des ni-veaux 2 et 3 de sécurité sur l’échelle SIL sont la règle dans la chimie, la pétrochimie, la production pétrolière en mer et les industries mécaniques.

Les réseaux Ethernet peuvent aussi être sécurisés. Sachant qu’il est impensable d’appli-quer la CEI 61508 à tous les matériels et logiciels embar-qués dans un réseau Ethernet, la certification sécurité s’appuie sur la notion de canal « gris » : il peut s’agir, par exemple, d’une couche appli-cative ou « profil orienté sécu-rité » venant se greffer à l’archi-

tecture TCP/IP existante 3 . Très bien maîtrisée, cette couche imbriquée sait détecter toutes les erreurs se produi-sant dans le canal gris, à l’image de PROFIsafe (PROFInet) et de CIP Safety (Ethernet/IP).

Mise en œuvreCertains produits s’accommodent d’une carte Ethernet classique mais, dans le cas des équipements ABB, Ethernet est d’habitude intégré dans un matériel spécialement conçu à cet effet. Des processeurs compatibles Ethernet, ap-pelés à fonctionner à des températures ou dans des conditions extrêmes, sont proposés par un certain nombre de fournisseurs : PowerPC de Motorola ou IBM, ColdFire ou puces ARM. Les exi-gences fonctionnelles conditionnent le choix du processeur ; nombreuses sont les variantes disponibles avec diffé-rents niveaux de gestion de la commu-nication. On trouve aujourd’hui des puces dédiées aux déclinaisons Motion Control d’Ethernet, sous forme d’ASIC intégrant une unité centrale ARM ou de FPGA gérant les protocoles Ethernet de bas niveau.

TendancesLa pénétration d’Ethernet dans l’usine est incontournable, comme en témoi-gne le nombre d’appareils ABB équipés de ce réseau. Parallèlement à son essor, de plus en plus de dispositifs embar-qués ABB seront développés pour tirer parti de ses hautes performances.

Kai Hansen

ABB AS


[email protected]

Bibliographie

[1] G. Prytz, S. Johannessen. “Real-time Performance

Measurements using UDP on Windows and

Linux”, ETFA 2005.

2 Les strictes exigences temps réel de la commande d’axes haut de gamme peuvent être satisfaites par la synchronisa-tion des horloges locales.

Contrôleur recevant les mesures horodatées par les horloges locales

Ethernet

Capteur 1 Capteur 2

Élément de détection

Élément de détection

Horloge locale Horloge locale

1 Comparaison des délais d‘un trafic UDP/IP sous Windows XP, sur Pentium 2,5 GHz [1]

μs

Windows XP 100 Mbit/s

Windows XP 1 Gbit/s

0 25 50 75 100 125

125 μs

106 μs

Traitement pile Retard réseau (minimum théorique) Gestion interruptions


3 Les différentes couches de la pile de communication

Safety application

Safety layer

Process layer

TCP layer

IP layer

Physical layer

Safety application

Gray channel

Ethernet cable/fiber

Safety layer

Process layer

TCP layer

IP layer

Physical layer

L’efficacité avec laquelle la pile protocolaire est mise en œuvre dans l’équipe-ment embarqué est LA question épineuse du débat sur le débit.

Les réseaux permettant de fédérer variateurs de vitesse et contrôleurs (API et PC) sont souvent directement intégrés dans le constituant d’automatisme. Pour le client, les avantages sont triples : câblage simplifié, fiabilité accrue, coûts globaux d’installation en baisse.

Les bus de terrain ont certes plus de dix ans mais les variateurs de vitesse les ont adoptés récemment. L’un des obstacles à leur diffusion rapide fut long-temps l’absence de normalisation. Au début, chaque constructeur y allait de sa solution « propriétaire », au détriment de la flexibilité tant prisée par les clients. Plusieurs technologies concurrentes et leurs associations virent ainsi le jour, dans l’ambition de développer LE bus de terrain ouvert qui devait faire autorité. Résultat : l’offre est aujourd’hui pléthorique.

Les industriels comme ABB se sont engagés dans cette technologie : sa solution s’appuie sur le principe de « connectivité universelle ». Pour mieux cerner ce concept, un bref rappel des principes fondamentaux des bus de terrain s’impose.

Un bus de terrain est un support de transmission de données nu-

mérique duplex1), reliant des appareils de terrain intelligents et des automa-tismes au système de contrôle- commande et à l’informatique de ges-tion de l’usine. Dans l’atelier, il se subs-titue aux traditionnelles E/S câblées en fil à fil. Multipoint, il se distingue des connexions point à point ne permettant les échanges qu’entre deux participants au réseau.

Un bus de terrain transmet ses don-nées les unes à la suite des autres, sur une liaison précisément qualifiée de « série ». Or, pour que deux équipe-ments puissent dialoguer sans encom-bre, il faut établir des règles de com-munication, à savoir définir la signifi-cation de chaque bit véhiculé dans une trame : c’est le rôle du « protoco-le ». Pour faciliter la description de cette communication série, l’usage est de s’appuyer sur le modèle générique

46 Revue ABB 2/2006

Les variateurs embarquentaussi sur le bus !Ilpo Ruohonen

47Revue ABB 2/2006

Les variateurs embarquent aussi sur le bus

des variateurs empruntent un bus de terrain pour remplir des fonctions de commande et de réglage à distance. Cette tendance s’explique par la bais-se des coûts des réseaux industriels et par la progression des automatismes.

Autre lame de fond : l’ascension d’Ethernet industriel. Cette technolo-gie encore jeune investit inexorable-ment les communications industrielles en organisant les deux premières couches OSI 1 . Si les fonctionnalités d’un bus de terrain sont majoritairement définies au sommet de la pile (« Application »), ses performances sont dictées par les couches basses. Dans nombre de systèmes, les chaînes de régulation bouclées par le bus de terrain doivent être rapides et permettre aux automa-tismes de synchroniser leur réaction aux événements. Dans le passé, cette exigence était satisfaite par une cou-che physique au comportement « déter-ministe ».

Malgré ses origines non déterministes, Ethernet peut aujourd’hui descendre vers le terrain avec des débits attei-gnant 1 Gbit/s ; une telle rapidité garan-tit, dans la majorité des cas, le détermi-nisme des boucles de régulation.

Les couches Physique et Liaison de données sont coiffées par les protoco-les « réseau IP » et « transport TCP » qui sont devenus des standards de messa-gerie et de connexion à Internet : c’est l’assurance d’une compatibilité du bus avec les réseaux situés en amont de la hiérarchie industrielle.

L’atout le plus manifeste d’Ethernet est son ouverture : il permet de bâtir une

architecture réseau standardi-sée, à base de composants banalisés. Avantage supplé-mentaire, l’évolutivité. Les clients peuvent ainsi facile-ment mettre à profit les déve-loppements techniques, sans s’enfermer dans une solution propriétaire. Autre mérite : tout un chacun ayant des compétences en technologie Internet, les réseaux basés sur ses mécanismes écourtent les temps de formation et de développement.

Même s’il n’en est qu’à ses balbutie-ments, Ethernet industriel connaît une progression fulgurante et ne tardera pas à dominer le marché des bus de terrain, au plus grand bénéfice du client qui gagnera ainsi en flexibilité de production.

Ethernet poursuit sa coursePour ABB Drives, Ethernet industriel est le prochain grand jalon répondant à la vision de connectivité universelle de l’entreprise : avec une progression de 60 % par an, rien ne semble arrêter ce challenger des bus de terrain tradi-tionnels.

Incontournable en informatique, il ral-lie peu à peu les suffrages des indus-triels par sa rapidité, son faible coût, sa disponibilité et sa compatibilité avec ses homologues bureautiques.

Greffer la technologie Internet au variateur ouvre la voie à beaucoup d’applications nouvelles : ne suffit-il pas de doter l’appareil d’une adresse IP pour exécuter quantité de fonctions à distance ? Reste à renforcer les capa-cités de diagnostic pour améliorer la maintenance préventive et accroître d’autant la disponibilité de l’outil industriel.

Ilpo Ruohonen

ABB Oy

Helsinki (Finlande)

[email protected]

Note1) Une transmission est « semi-duplex » lorsqu’elle

s’effectue dans les deux sens, mais à l’alternat ; elle

est « duplex » lorsqu’elle a lieu dans les deux sens

et simultanément.

OSI à 7 couches 1 (chacune définissant un ensemble de fonctions) ou « pile protoco-laire ».

Plutôt que normaliser l’édifi-ce complet, on a préféré définir des standards pour chaque « brique », voire pour chacune de ses fonctions. Ce découpage théorique expli-que en partie la profusion de protocoles et de bus de terrain proposés aujourd’hui sur le marché.

Les plus basses couches de la pile protocolaire, dénommées « Physique » et « Liaison de données », sont affaires de matériel, tandis que les couches supérieures relèvent essentiellement du logiciel. Cette distinction hiérarchi-que favorise le principe ABB de con-nectivité universelle, liée aux récents progrès de la commande embarquée.

Une connexion universelleEn l’absence de référentiel internatio-nal régissant les couches matérielles du protocole, les constructeurs ont standardisé le raccordement de leurs équipements au réseau, moyennant un coupleur spécifique au protocole, raccordé à cette interface réseau. La course à la miniaturisation aidant, ces coupleurs optionnels sont toujours plus petits, moins chers et directement intégrés au variateur. La standardisa-tion ayant gagné le matériel, plusieurs protocoles peuvent désormais être implantés sur une même solution.

Les avancées de la commande embar-quée permettent aujourd’hui de mettre en œuvre les couches hautes de la pile protocolaire par simple téléchar-gement de logiciels dans l’appareil de terrain. Cette judicieuse association de petits coupleurs et de logiciels télé-chargeables simplifie l’intégration du variateur dans le réseau du client.

La solution ABB prenant en compte un large éventail de protocoles de bus de terrain, le client peut choisir son variateur, indépendamment de l’archi-tecture d’automatismes.

Le bus qui monteLes bus de terrain sont promis à un bel avenir. Pour l’heure, environ 40 %

1 Les couches OSI et leurs standards

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data Link

PhysicalEthernet

ProfiNet Modbus/TCP

Fieldbus HSE EtherNet/IP

TCP/UDP

IP

IEEE 802.1

IEEE 802.3

TCP/IP


Si, pendant longtemps, raccorder un moteur électrique signifiait à la fois accoupler son arbre à la machine entraînée et brancher son câble de puissance sur le réseau électrique, aujourd’hui il s’agit de plus en plus de le connecter à un réseau de com-munication pour des fonctions avancées de commande, coordination, diagnostic et planification de la maintenance. Tirant parti des progrès dans les domaines de l’intelligence embarquée et des bus de terrain, la solution MNS i S d’ABB marque l’avènement d’une nouvelle génération de commandes et de protections des moteurs basse tension (BT) qui répond aux besoins de communication du marché.

48 Revue ABB 2/2006

Dans la sphère industrielle moder-ne, les départs-moteurs intelli-

gents sont une technologie mature et bien acceptée. Dans le sillage des réseaux de terrain ouverts, apparus il y a plus de dix ans, l’appareillage électrique intelligent a rapidement ga-gné la confiance des utilisateurs. Sa robustesse et ses temps de réponse courts sont un gage de fiabilité pour les applications temps réel.

Qui plus est, les efforts soutenus de réduction du coût global des équipe-ments ont débouché sur une plate-forme de développement flexible qui réduit les temps improductifs : temps de mise en service raccourcis, infor-mations plus abondantes, diagnostics plus précis, maintenance prédictive et réparations plus simples.

La technologie des départs-moteurs intelligents est tou-tefois à la croisée des che-mins. En effet, traquant sans répit les gains de productivi-té, les clients industriels veu-lent renforcer la disponibilité de leur outil de production et coordonner leurs activités d’exploitation et de mainte-nance avec un mot d’ordre : fournir la bonne information à la bonne personne au bon moment. Pour répondre à ces besoins, les équipements

doivent embarquer des solutions de connectivité auxquelles s’adaptent l’architecture des systèmes et les fonc-tions de communication tableau .

En développant son départ-moteur MNS i S, ABB a fait œuvre de précur-seur avec une offre évolutive qui permet au client de compléter, modi-fier ou enrichir ses configurations systèmes à toutes les étapes du cycle de vie d’un projet.

Les départs-moteurs prennent le bus Question : comment exploiter les atouts d’Ethernet industriel en termes de vitesse, de robustesse et de simpli-cité de configuration pour une com-

munication temps réel des départs-moteurs alors qu’on reproche précisé-ment à ce réseau son manque de déterminisme ? Réponse : en embar-quant une interface applicative temps réel RTAI (Real Time Application Interf ace) qui garantit un temps de transmission borné et une commuta-tion rapide, et qui adopte la pile Ethernet en exécutant les protocoles UDP/IP1), ICMP2) et ARP3) d’une ma-nière déterministe. Pour écarter les risques de collision et de congestion sur Ethernet, une couche supplémen-taire appelée RTmac gère l’accès au support. La séparation entre le bus Ethernet de l’appareillage électrique et celui des automatismes est réalisée avec le support physique Ethernet

10Base-I4).

Reconfiguration du système MNS i SDans l’industrie du process, la configuration des applica-tions de départ-moteur varie selon le mode d’exploitation ou les besoins de flux d’infor-mations de chaque site. Dans MNS i S, le système de contrôle-commande du client commu-nique avec les départs-moteurs selon deux modes :1. via l’unité de communica-

tion centrale pour un accès multisite simultané sur différentes interfaces de communication.

SOS Moteurs Diagnostic et protection des moteurs 24 h/24Rajesh Tiwari

Aspects des produits Aujourd’hui Demain

Intelligence/ En option Embarquée (intégrée communication en phase de conception)Communication Monomaître MultimaîtreCommunication sur Connectivité Intégration réellebus de terrain ouvertConfigurations Point à point Combinaisons multiples hautement optimiséesInformation Surabondante et Pertinente et précise, hors contexte orientée opérateurFonctionnalités Dédiées Evolutives et extensibles de communication à toutes les étapes du cycle de vie du projetCommunication Tout bus de terrain Spécifique et sur Ethernet

tableau Tendances du marché de l’appareillage basse tension

49Revue ABB 2/2006

SOS Moteurs

verse, seules les informations utiles à la maintenance sont accessibles au système de maintenance électrique ou au superviseur SCADA. Ainsi, chaque intervenant dispose, à la demande, d’une information pertinente. On sup-prime, d’une part, le fastidieux travail de programmation de routage des données dans les API qui peut brider leurs performances et, d’autre part, les programmes d’application pour le transfert des données.

MNS i S remplit parfaitement sa mis-sion : transmettre la bonne information à la bonne personne au bon moment.

Rajesh Tiwari

ABB Switzerland Ltd

Zurich (Suisse)

[email protected]

Notes1) User Data Protocol : protocole de la couche Trans-

port du modèle OSI (cf. également figure p. 47).

Plus rapide que TCP, il n’offre toutefois pas le

même niveau de déterminisme ni ne garantit que

les paquets de données sont reçus dans l’ordre

d’émission.2) Internet Control Message Protocol : protocole de la

couche Réseau de la pile de communication (tout

comme IP), utilisé le plus souvent pour l’envoi de

messages d’erreur.3) Address Resolution Protocol : autre protocole de la

couche Réseau qui déduit l’adresse matérielle d’un

dispositif de son adresse du protocole.4) Couche physique de l‘Ethernet industriel 10 Mbit/s 5) Profinet en préparation6) Automate programmable industriel

2. par une connexion directe de chaque départ-moteur sur bus de terrain5). Dans ce cas, chaque station accède à un départ-moteur spécifique.

En combinant les modes 1 et 2, MNS i S gagne sur les deux tableaux. Pour une disponibilité sans faille de son outil de production, le client peut également choisir une configuration redondante.

MNS i S et serveur OPC, duo de chocAutre atout de MNS i S : l’interface OPC (OLE for Process Control) qui régit les informations moins critiques dans le temps mais néanmoins essen-tielles à l’exploitation et la maintenan-ce du site industriel. Avec OPC, l’utili-sateur se connecte directement aux postes opérateurs, systèmes de main-tenance, etc., sans avoir à programmer

Quels avantages ?

Tous les composants du système MNS i S s’enfichent sur le bus d’appareillage électrique interne sans besoin de câblage.

MNS i S assure l’intégrité des trans-missions avec un comportement prédictible. La sécurité opération-nelle du moteur est garantie contre :

toute rupture de transmission. MNS i S surveille en permanence l’intégrité de la communication entre le départ-moteur et le systè-me de contrôle-commande distri-bué. En cas de rupture, le moteur passe dans le mode de sécurité prédéfini ;

la commande non autorisée du moteur. Le départ-moteur de MNS i S est accessible à partir de plusieurs postes de conduite. Son

intégrité et sa sécurité opération-nelle sont sauvegardées alors que l’accès non autorisé ou inopiné est interdit par la gestion des droits d’accès utilisateur.

MNS i S communique sur toute la ligne : Communication sur bus de terrain ouverts Profibus DP-V1, Modbus TCP et interface OPC (Profinet en préparation) ;

Connectivité par navigateur web aux IHM locales à écran tactile ;

Raccordement direct des départs-moteurs au bus de terrain Profibus DP-V1, DeviceNet ou Modbus RTU*.

* développement en cours

les systèmes de contrôle-commande distribué ou les API6).

MNS iS remplit parfaite-ment sa mission : trans-mettre la bonne informa-tion à la bonne personne au bon moment.

En utilisant le serveur OPC de la solu-tion MNS i S, les opérateurs accèdent à des informations supplémentaires sans passer par les contrôleurs des systèmes de contrôle-commande dis-tribué/API. Avec un traitement totale-ment automatisé, les alarmes et les événements horodatés des départs-moteurs sont directement transmis par MNS i S aux postes opérateurs. A l’in-

Armoire de départs-moteurs

MNS i S, priorité à la simplicité


50 Revue ABB 2/2006

Un réseau de communication per-formant est la clé de voûte d’un

système électrique moderne. Qu’il s’agisse de coordonner leurs actions ou d’échanger toutes sortes de don-nées opérationnelles, les grands élec-triciens ont foncièrement besoin de communiquer. Les missions du réseau sont multiples : véhiculer les signaux de téléconduite des postes non gar-diennés, rapatrier les informations et mesures de consommation à la salle de commande, diffuser des ordres aux sites distants . . . Sur cette dorsale du système électrique transitent nombre de signaux d’importance capitale, en temps réel, pour optimiser la com-mande et la protection des installa-tions. Bref, le réseau de communica-tion est garant de la continuité de la desserte électrique, du producteur au consommateur.

Dans ce domaine, les systèmes de communication ont longtemps été majoritairement constitués de modules matériels, taillés aux spécifications du client. Aujourd’hui, les systèmes em-barqués, à l’image de l’ETL600 d’ABB, reposent sur un puissant socle maté-riel adaptable, étayé de « briques » logi-cielles multifonctions. L’ensemble autorise la configuration, en quelques clics, d’un système élaboré, ouvert aux extensions futures par télécharge-ment d’additifs logiciels.

Coup de foudrepour les courants porteurs en ligneStefan Ramseier, Hermann Spiess

La sécurité et la fiabilité du transport d’énergie imposent la coor-dination permanente de différents points du réseau. Du simple coup de fil échangé entre deux agents d’exploitation à la télé-conduite et à la télésurveillance d’équipements disséminés, une infrastructure de communication robuste et sûre est indispensa-ble au fonctionnement optimal du système. Les exploitants de réseaux électriques utilisent à cette fin un large éventail de canaux de transmission, y compris leurs propres lignes.

ABB cumule 64 années d’expérience dans le transfert de don-nées sur câble électrique. Dotée de fonctionnalités étendues, sa toute dernière innovation « ETL600 » marque une nouvelle avan-cée dans la technologie des courants porteurs en ligne (CPL). Facilité et rapidité de configuration matérielle, évolutivité logi-cielle . . . Quelques clics suffisent pour propulser durablement les clients d’ABB aux avant-postes du progrès technique.

51Revue ABB 2/2006

Coup de foudre

l’électricien et la réglementation en vigueur, fournir des services télécoms. Si les liaisons radio ne se limitent pas au tracé des lignes électriques, elles peuvent, dans certains cas, avantageu-sement s’y substituer, en particulier pour réduire la fracture numérique dans les zones de couverture difficile (reliefs, sites isolés . . .).

Cette technologie permet de véhiculer l’énergie électrique mais aussi des signaux de communi-cation.

Les transmissions sur réseau électrique ont plusieurs applications types : inter-connexion de réseaux locaux, vidéo-surveillance, télédiagnostic et télé-maintenance, automatisation de la distribution, télérelève des compteurs et services télécoms classiques.

Au nombre des grandes applications de « communications opérationnelles » figurent la conduite du système élec-trique, la protection des lignes et la téléphonie à des fins d’exploitation. Cet article se consacre aux deux pre-mières, essentielles au fonctionnement du système électrique.

La disponibilité de la fourniture élec-trique est largement tributaire de la fiabilité du système de conduite. Les appareils de contrôle-commande et, en particulier, les équipements de transmission, doivent garantir un fonc-tionnement sans faille, dans les condi-tions les plus défavorables. Les deux applications clés de conduite du sys-

tème électrique sont la télé-gestion (SCADA) et la gestion de l’énergie (EMS).

Les équipements de télépro-tection, qui opèrent avec la protection des lignes, doivent être capables de transmettre en toute fiabilité un signal à l’extrémité de la ligne, dans les délais les plus brefs et les conditions de bruit extrême que peut engendrer le systè-me électrique en défaut. Par ailleurs, un canal de transmis-sion parasité ne doit jamais occasionner de manœuvre

intempestive de la protection en simu-lant, par exemple, un déclenchement ou un blocage du signal en réception alors qu’aucun signal de cette nature n’est émis en bout de ligne.

La pertinence du CPL Les équipements CPL sont utilisés depuis longtemps par les sociétés d’électricité pour acheminer des infor-mations indispensables à l’exploitation et à la protection du réseau : transmis-sions vocales, commandes de protec-tion, signaux de contrôle . . . Cette technologie permet de véhiculer l’énergie électrique à 50 Hz ou 60 Hz mais aussi des signaux de communi-cation sur une onde haute fréquence, entre 40 kHz et 500 kHz. Des cou-pleurs spéciaux relient les terminaux de communication aux lignes électri-ques haute tension.

Emprunter les conducteurs d’énergie pour transiter des données est une solution séduisante à plus d’un titre : l’infrastructure en place assure non seulement une liaison des plus direc-tes pour la téléprotection (où la vites-se est capitale) mais elle est aussi fiable et maîtrisée par l’électricien, critère d’importance surtout dans les pays dont les télécoms sont ouvertesà la concurrence. De plus, le réseau électrique constitue un excellent sup-port de propagation sur de très lon-gues distances (plusieurs centaines de kilomètres), sans répéteur.

Un média porteur d’avenirDepuis la première expérimentation CPL d’ABB, en 1942 3 , des milliers de liaisons ont été installées dans plus de 120 pays, à des niveaux de tension

Communications par courants porteurs : mode d’emploiL’expertise d’ABB en matière de transmission de données sur réseau électrique est le fruit d’une multitude de réalisations dans plus de 140 pays. Cet héritage, asso-cié à des solutions éprou-vées, revêt surtout de l’importance dans l’achemi-nement des signalisations de protection permettant de supprimer au plus vite un défaut de ligne ou d’isoler les équipements primaires d’une centrale directement touchée par une défaillance, tout en préservant la disponibilité des autres équipements.

Les gains de performances et les enri-chissements fonctionnels des systèmes de communication ABB augmentent le nombre et la qualité des informations mises à la disposition des équipes d’exploitation et de gestion. Garantir à toutes les unités opérationnelles d’une société d’électricité un accès rapide à cette information se traduit par la pos-sibilité d’utiliser ces données pour la commande à distance des postes élec-triques comme pour l’analyse des per-formances, tout en comprimant les coûts de fonctionnement et de mainte-nance. Les réseaux électriques moder-nes doivent impérativement compter sur des services de communication puissants et fiables pour piloter, superviser et administrer les opéra-tions du système électrique 2 .

Les fulgurants progrès technologiques de ces dernières années et l’ouverture à la concurrence des marchés de l’énergie ont bouleversé les exigences de communication des électriciens sur leurs réseaux longue distance. Pour y répondre, trois solutions sont en présence : CPL, câble optique et radio.

Les CPL industriellement éprouvés jouent un rôle prépondérant que justi-fient leur fiabilité, leur coût modique et leur longue portée. Pour des capa-cités de transmission supérieures, les systèmes large bande, sur fibre opti-que, peuvent traiter des données élec-triques tant opérationnelles qu’admi-nistratives et, selon la stratégie de

1 Vue d’ensemble d’un réseau de communication


52 Revue ABB 2/2006

Coup de foudre

atteignant 1100 kVCA et 500 kVCC, sur un total de plus d’un million de kilomètres.

Tout au long de ces 64 années, cha-que nouvelle génération d’équipe-ments CPL s’est appuyée sur le sum-mum technologique de l’époque. Ainsi, nombreux sont les progrès accomplis ces dernières décennies en électronique et en télécommunications à se concrétiser dans le déploiement du CPL.

Les CPL d’origine utilisaient des valves et l’information était transmise selon quasiment le même principe que la radio AM d’aujourd’hui, à savoir la

modulation d’une onde purement ana-logique (en l’absence de tout signal binaire) à la fréquence souhaitée (par exemple, entre 40 et 500 kHz), avec duplication du signal transitant sur la ligne électrique (double bande latéra-le). Au début des années 50, la bande de fréquences – denrée déjà très rare – est réduite de moitié, éliminant le double du signal original (bande laté-rale unique, BLU) : une technique en-core de mise en CPL et dans certaines radiocommunications à ondes courtes. Au milieu des années 50, les valves cèdent le pas devant les premiers transistors au germanium qui sont à leur tour supplantés, au début des années 60, par les transistors au sili-

cium puis, au milieu des années 70, par les circuits intégrés. Début 90, l’utilisateur est en mesure d’adapter les courants porteurs à ses besoins en les « programmant » avec des commuta-teurs et des cavaliers.

Le tournant du siècle marque un nouveau saut technologique avec l’ETL500 d’ABB, premier CPL embar-qué « numérique ». Le système n’est plus configuré par commutateurs ni cavaliers, mais principalement à l’aide d’une interface graphique sur PC. De même, les signaux internes de l’ETL500 ne sont plus traités en analo-gique, mais sous la forme d’une suite de bits. Nombre de composants analo-giques complexes (oscillateurs, mélan-geurs et filtres) sont remplacés par des opérations mathématiques exécu-tées en un temps record par un pro-cesseur numérique de signal (DSP), champion des grands calculs et com-posant clé de la révolution numéri-que.

Les CPL d’origine utili-saient des valves et l’information était trans-mise selon quasiment le même principe que la radio AM d’aujourd’hui, à savoir la modulation d’une onde purement analogique.

Les premiers succès de la modulation et du codage numériques sont aussi à l’origine d’une autre avancée significa-tive. Téléphone mobile, fax, CD et DVD, télévision satellite ou terrestre, radiodiffusion ou lecteur MP3 . . . : le tout-numérique est notre quotidien. Pour cerner cette réalité, songez à l’historique de la transmission de don-nées sur ligne téléphonique, couplée à un modem. Dès 1962, la modulation par déplacement de fréquence (FSK) autorise un débit de 300 bit/s (avis V21 de l’UIT-T). Quelque 30 ans plus tard, cette vitesse explose pour se hisser à 56 kbit/s (modems V90/V92) ! L’ADSL annonce l’ère du très haut débit, sous réserve d’une bien plus large bande passante (d’ordinaire inutilisée en téléphonie).


3 Une des premières installations CPL d’ABB, relatée par le Brown Boveri Mitteilungen, ancêtre de la Revue ABB, en janvier/février 1944 (Abb. 169 & 170)

2 Synoptique d’un système CPL

Transport de l‘énergie électrique

Données, transmissions vocales et signaux de protection

Impédance de ligne

haute tension Z

Poste électrique

Filtre réjecteur

Filtre réjecteur

Poste électrique

Condensateur de couplage ou trans-formateur à tension

constanteCoupleurMCD 80

CoupleurMCD 80

TerminalCPL

TerminalCPL

Condensateur de couplage ou trans-formateur à tension constante

53Revue ABB 2/2006

Coup de foudre

Le CPL n’est pas en reste dans la cour-se au progrès, même s’il a fallu adap-ter les principes de modulation et de codage de la transmission classique pour pallier le resserrement du spec-tre et le parasitage du canal, sans compter l’immensité des distances à parcourir ! En 1999, ABB lance le tout premier CPL numérique à adaptation automatique de la vitesse (AMX500), avec des débits maxi de 28,8 kbit/s à 4 kHz ou de 64 kbit/s à 8 kHz. Là encore, l’évolution est spectaculaire.

ETL600 : un CPL embarqué et flexibleLes progrès de ces dernières années ont favorisé le décollage des applica-tions CPL, notamment par la fournitu-re d’une bande passante plus élevée, l’intégration dans les réseaux numéri-ques, des améliorations fonctionnel-les, ainsi que la facilité et la souplesse d’emploi. Ces nouvelles possibilités, associées aux avantages économiques et à la fiabilité dont jouit le CPL, ex-pliquent le regain d’intérêt mondial pour cette technologie.

Le CPL ABB de toute dernière généra-tion, l’ETL600, est un vrai système em-barqué qui intègre et reprend, avec davantage de souplesse, de nombreux composants de ses prédécesseurs 4 . Cette nouvelle plate-forme multiservi-ce couvre, en un seul système, toutes les applications CPL.

L’ETL600 est bâti sur une combinaison de technologies abouties associant matériel de pointe et logiciel dédié au traitement numérique du signal. L’utilisateur peut ainsi configurer le système en quelques clics sans avoir, comme dans le passé, à intégrer des

modules matériels supplémentaires en jonglant avec des cavaliers et commu-tateurs, voire des soudures. Outre sa convivialité et son exceptionnelle sou-plesse applicative, l’ETL600 garantit une compatibilité totale avec l’existant et l’environnement tout numérique des télécoms modernes, ainsi que des débits quadruplés par rapport aux systèmes de la concurrence.

Le nouveau mode d’exploitation haut débit de l’ETL600 trace la voie de la connectivité Ethernet/IP sur lignes électriques haute tension.

En matière de sécurité, de fiabilité et de disponibilité, l’ETL600 dispose d’un atout supplémentaire : une haute pro-tection contre la pollution électroma-gnétique et les dommages dus aux ondes de choc. Conformes aux nor-mes CEM1) de rigueur, toutes les inter-faces (ports de données compris) ont une isolation galvanique renforçant la protection contre les surtensions, les hausses de potentiel de masse et les boucles à la terre. L’ETL600 bénéficie aussi d’une fiabilité accrue grâce à ses autotests et diagnostics qui facilitent la mise en service et la maintenance.

Entre communication et électricité, le courant passeChaque bond technologique a pour effet d’accélérer et de perfectionner l’exécution de nos tâches quotidien-nes. Mieux encore, il annonce une myriade de nouveautés applicatives. Les CPL traditionnels étaient essentiel-lement des liaisons point à point dont l’accès aux connexions point-multipoint était régi par les couches hautes des protocoles de télégestion (SCADA). Les transmissions CPL numériques, dotées de multiplexeurs, commutateurs ou routeurs, permettent d’interconnecter une multitude de liaisons CPL en un réseau maillé dont la capillarité offre une excellente parade aux défauts de ligne et promet de nouvelles applications, comme la surveillance, la commande et la pro-tection à grande échelle. Qui plus est, la voix, encore largement transmise en analogique, peut être numérisée pour

économiser la précieuse bande pas-sante des lignes électriques.

Les nouvelles fonctionnalités du CPL numérique permettent d’utiliser les systèmes modernes pour secourir et fiabiliser des services stratégiques, comme la télégestion et la téléprotec-tion qui transitent normalement sur des supports large bande. En particu-lier, le nouveau mode d’exploitation haut débit de l’ETL600 trace la voie de la connectivité Ethernet/IP (pour l’in-terconnexion de réseaux locaux, par exemple) sur lignes électriques haute tension : une application inenvisagea-ble par courants porteurs classiques.

La flexibilité et l’évolutivité des systè-mes embarqués permettent d’élargir leur spectre fonctionnel avec de nouvelles versions logicielles, sans toucher au matériel.

Même si cet article a pour objet les courants porteurs, il importe de noter que tous les électriciens accomplissent d’immenses progrès en matière de communication, notamment dans le domaine des fibres optiques et des liaisons radio. ABB propose des solu-tions intégrées visant les applications sensibles de l’énergie, du pétrole, du gaz et du ferroviaire. Ses plus récents développements utilisent un seul et unique système de gestion de réseau pour piloter à distance la totalité des transferts de données.

Pour en savoir plus :

http://www.abb.com/utilitycommunications

Stefan Ramseier

Hermann Spiess

ABB Utility Communication Systems

Baden (Suisse)

[email protected]

[email protected]

Note1) Parler de compatibilité électromagnétique (CEM)

d’un appareil signifie qu’il ne perturbe pas son

environnement (émission ou « EMI ») mais aussi qu’il

est construit pour supporter un certain niveau de

perturbations environnantes (sensibilité caractérisée

par son « immunité » aux parasites).

4 L’ETL600, à l’avant-garde de la technologie CPL


Pour beaucoup, développer des produits est une activité qui fait encore penser à ces esprits solitaires s’escrimant, dans l’obscurité de leur garage, à inventer des produits qui vont bouleverser notre quotidien, à l’image de Thomas Edison et, plus récemment, des petits génies de la micro-informatique. Aujourd’hui, l’évolution rapide du marché et ses contraintes grandissantes imposent de travailler autrement !

L’intuition d’un visionnaire et l’empirisme cèdent la place à un processus de création structuré et validé scientifique-

Association à but créatif Coopérer à l’échelle mondiale pour développer des produits hors pairDeia Bayoumi, Katja Rajaniemi, Eric Buchholtz

ment, avec une kyrielle d’outils et de méthodes formelles, allant des études de marché à la théorie des contraintes1), en passant par la gestion des risques. Le processus de développement d’un produit fait appel à de nombreux inter-venants qui ont chacun leurs idées, leurs priorités et leur culture. La gestion de projet vise à faire travailler tous ces intervenants en symbiose pour atteindre un objectif commun.

Dans cet article, la Revue se penche sur le processus de développement des produits de l’activité ABB Distribution Automation.

54 Revue ABB 2/2006

55Revue ABB 2/2006

Association à but créatif

Les équipes de développement d’ABB ont pour mission de créer

des produits aux fonctionnalités inno-vantes qui satisfont ou dépassent les besoins exprimés par les clients, intè-grent le meilleur de la technologie à un prix compétitif, sont simples à utiliser et offrent un niveau élevé de qualité et de fiabilité. Inventer, com-mercialiser et accompagner les pro-duits tout au long de leur cycle de vie posent de nombreux défis aux équi-pes de développement d’une entrepri-se. Nous verrons comment ABB Distri-bution Automation définit et harmoni-se ses processus au niveau mondial pour que ses efforts soient couronnés de succès. Des processus unifiés et cohérents renforcent la collaboration entre les centres de R&D à travers le monde et, donc, l’efficacité des projets de développement. L’activité a focali-sé ses efforts sur trois domaines : ges-tion de projet, gestion des configura-tions et gestion des besoins.

ABB Distribution Automation fabrique des produits de protection, de contrôle-commande et de surveillance des réseaux de distribution électrique. Les centres de développement, disséminés dans six pays, travaillent en parallèle sur de multiples projets. Leur créativi-té tire profit de la diversité culturelle des équipes, de différents niveaux de maturité et des processus spécifiques. ABB privilégie des processus très effi-caces pour satisfaire au mieux la totalité des exigences et attentes de ses clients tout en renforçant sa position de leader mondial.

De façon générale, on distingue trois leviers d’amélioration des processus de développement des produits pour les marchés mondialisés : transfert des connaissances, coordination et coopé-ration. Le partage des connaissances et la transformation du savoir-faire individuel en savoir-faire collectif sont des facteurs de réussite essentiels. L’absence de coopération et de coor-dination est souvent le fait de diver-gences d’intérêt ou d’objectif, de rôles mal définis, de relations médiocres ou de processus méconnus [1].

ABB Distribution Automation a décidé d’améliorer ses processus de dévelop-pement pour réduire ses délais de mise sur le marché et renforcer plusieurs

aspects de ses produits : qualité, fiabili-té, évolutivité, prédictibilité et proximi-té client. La démarche portait principa-lement sur les trois leviers précités : Transfert des connaissances : accroî-tre la communication entre les diffé-rentes entités d’ABB en mettant en place un environnement qui renfor-ce leur capacité, leur qualité d’écou-te et le partage des informations ;

Coordination : définir des objectifs et des responsabilités par la création et la consolidation de processus communs indispensables au déve-loppement rapide de produits plus performants et plus compétitifs ;

Coopération : s’assurer que tous les intervenants sont impliqués dans le processus, qu’ils connaissent son état d’avancement, ses risques et ses problèmes, et qu’ils respectent les plans d’action et les objectifs.

Une gestion structurée des besoins conditionne la mise en œuvre de bonnes pratiques pour le développement d’un nouveau produit.

Amélioration des processusLe projet d’amélioration des processus s’est matérialisé par l’adoption d’un

double cadre méthodologique : le modèle de maturité CMMI (Capability Maturity Model Integration) du Soft-ware Engineering Institute (SEI) et le modèle IDEAL (Initiating, Diagnosing, Establishing, Acting, and Leveraging). Ceux-ci sont fréquemment utilisés pour fixer les objectifs et les priorités d’un tel projet et guider l’entreprise dans sa démarche d’amélioration pour définir des processus stables, rigoureux et matures.

CMMI 1 est un référentiel de prati-ques matures dans des domaines spé-cifiques du développement de pro-duits ; il sert à évaluer la capacité d’un groupe à maîtriser tel ou tel domaine. Ces pratiques portent sur la producti-vité, les performances, les coûts et la satisfaction des parties prenantes. Son principal atout : l’intégration de plu-sieurs systèmes et disciplines logiciel-les dans une démarche commune d’amélioration des processus encadré .

Le modèle IDEAL 2 sert, quant à lui, à définir un plan d’action complet et intégré de lancement et de suivi de déroulement du projet.

Point de départLes objectifs du programme d’amélio-ration des processus furent fixés par la direction générale qui se devait également d’obtenir l’adhésion de


Le modèle de maturité CMMI aide les entreprises à : maîtriser le périmètre des projets, leurs coûts et leurs délais ;

collaborer avec toutes les parties prenantes pour satisfaire, voire dépasser leurs attentes ;

développer des produits et servi-ces hors pair ;

intégrer les équipes commerciales et techniques ;

mettre en place des techniques proactives de gestion de projet ;

appliquer les meilleures pratiques pour relever les défis du dévelop-pement de produits : progrès tech-nologique, besoins des clients et spécificités des marchés ;

optimiser les ressources lorsque le développeur travaille sur des pro-

jets différents en utilisant des pro-cessus identiques ou similaires.

Les avantages sont nombreux : Sensibilisation : compréhension des besoins des différents interve-nants, du périmètre du projet, de ses délais et de son budget ;

Maîtrise : processus mesurable et quantifiable permettant de réagir de manière proactive à toutes les étapes du programme ; planifica-tion et gestion centrées sur les besoins ; gestion explicite des risques tout au long du projet ;

Communication : meilleur partage des connaissances en bâtissant une équipe projet intégrée.

CMMI

56 Revue ABB 2/2006


pierre à l’édifice en recensant, compa-rant, analysant et validant la portée, la priorité et la logique de chaque be-soin. L’intervention de participants d’horizons différents (ventes, marke-ting, production et services) dans l’analyse des besoins a consolidé sa compréhension. L’importance de ce processus a été renforcée par la mise en évidence des aspects économiques des besoins dans un nouveau docu-ment intitulé Product Business Plan, document qui fait le lien entre straté-gie, gestion de portefeuille de produits et besoins, définissant les marchés concernés et la stratégie compétitive.

La qualité du processus de gestion des besoins est renforcée par des analyses à différentes étapes du projet et des réunions de synthèse qui visent à col-ler au plus près des besoins du mar-ché et à s’assurer de la pertinences des informations.

Gestion de projetEn matière de gestion de projet, ABB Distribution Automation concentra ses efforts sur deux domaines : la gestion des risques et l’évaluation du projet. Gérer des risques, c’est identifier les problèmes pouvant survenir tout au long de la durée de vie du produit ou du projet de façon à anticiper les actions permettant de les maîtriser. Le développement d’un produit s’accompagne toujours de risques importants. ABB Distribution Auto-mation a ainsi mis en place un pro-cessus de gestion des risques en quatre étapes constituant une boucle itérative sur toute la durée de vie du projet : identification et classification, analyse, plan d’action et suivi.

Plus ces risques sont identifiés et leur impact mesuré, plus un projet peut être évalué avec précision. Dans cette opti-que, ABB Distribution Automation a

toutes les parties prenantes au sein de l’entreprise. Au vu des objectifs de l’entreprise, un audit fut réalisé pour identifier les points forts et les points faibles des centres de développement existants.

Ces conclusions débouchèrent sur un plan d’action et la constitution d’équipes pour sa mise en œuvre et la définition et l’adoption de nouveaux processus.

Passage à l’acteActuellement, plusieurs actions sont menées dans un certain nombre de domaines, dont les principaux sont la gestion des besoins, la gestion de pro-jet et la gestion des configurations.

Gestion des besoinsLa gestion des besoins est confrontée à des difficultés liées à leur variabilité et leur manque de clarté aboutissant à des erreurs, des omissions, des inco-hérences et des ambiguïtés [2]. Déve-lopper des produits pour un marché mondialisé pose des défis spécifiques de coordination et de communication, sources potentielles de surcoûts, de retards, de frustrations et de surcharge de travail pour les employés, d’insatis-faction pour les clients et de manque à gagner pour l’entreprise.

Plus les risques sont identifiés et leur impact mesuré, plus un projet peut être évalué avec précision.

Une gestion structurée des besoins conditionne la mise en œuvre de bon-nes pratiques pour le développement d’un nouveau produit. En règle géné-rale, les gisements d’amélioration se trouvent dans : la collecte de données correctes et une compréhension fine des besoins des clients et du marché ;

une communication transversale sans barrières géographiques ni culturelles ;

la cohérence de l’expression des besoins.

Un nouveau système de gestion des besoins fut mis en place, permettant à tous les intervenants d’apporter leur


1 Modèle CMMI

5Amélioration continue des

processus

Innovation concernant

l’organisation et déploiement

Analyse de causalité et résolution

4 Gestion quantitative

Gestion quantitative des processus

Gestion de la qualité des logicielsGes

tion

quan

titat

ive

3 Standardisation des processus

Développement des besoins

Solution technique

Intégration des produits

Vérification

Validation

Définition des processus de

l’organisation

Formation de l’organisation

Gestion intégrée des fournisseurs

Analyse des décisions et résolution

Environnement organisationnel

pour l’intégration

Déf

initi

on

2 Gestion de projet de base

Gestion des besoins

Planification des projets

Suivi et contrôle des projets

Mesure et analyse

Gestion des contrats avec

les fournisseurs

Qualité des processus

et des produits

Assurance

Gestion des configurations

Ges

tion

1 Efforts héroïques

Concevoir

Développer

Intégrer

Tester

Situ

atio

n de

dép

art

Productivité et qualité

Risque et pertes de temps et d’énergie

RésultatNiveau Capacité

57Revue ABB 2/2006


Ces risques sont suivis et commentés aux différentes phases d’avancement du projet ainsi qu’au cours des réu-nions mensuelles du comité de pilota-ge. De plus, la direction en est infor-mée chaque semaine. Ce bilan hebdo-madaire permet aux différents interve-nants d’échanger les informations et d’en faire part au plus grand nombre.

Gérer efficacement des projets suppo-se d’affecter les ressources à chaque tâche avec une vision globale. ABB Distribution Automation utilise, entre autres, la théorie des contraintes1) pour planifier, suivre et piloter un projet donné dans un environnement multi-projet. Cette technique donne lieu à un planning selon les estimations opti-mistes et pessimistes de chaque projet qui permettent à leur tour de définir un chemin critique2) et des jalons (ou « tampons » dans le jargon de la théorie des contraintes). Les projets sont dé-marrés en les ordonnançant selon la disponibilité des ressources critiques. Qui plus est, celles-ci ne sont affectées qu’à des tâches où elles sont indispen-sables, cela afin d’optimiser les perfor-mances globales du processus. Pour faciliter cet ordonnancement, chaque projet est hiérarchisé. Un projet haute-ment prioritaire se voit attribuer des ressources avant un projet moins prio-ritaire. La consommation de « tampons » de risques et l’état d’avancement le long de la chaîne critique sont sur-

créé des ateliers d’identification, d’ana-lyse et de classification des risques de projet au cours desquels les responsa-bles produits commentent les résultats et présentent les risques économiques liés aux différents produits existants et en préparation, s’interrogeant notam-ment sur la manière de conserver ou de renforcer ses parts de marché sur un segment clé et à quel coût. Au lance-ment d’un projet, l’analyse et l’identifi-cation des risques portent davantage sur les aléas techniques en termes de coûts, de délais et d’objectifs.

Ces ateliers sont structurés comme suit : Inventaire des sources de risques ; Inventaire des sources de risques potentiels et des risques spécifiques à partir du retour d’expérience ;

Classification et hiérarchisation des risques (probabilité et gravité) à partir de ces inventaires.

En classant les risques selon leur gra-vité et en listant les sources de ris-ques, on identifie non seulement les risques les plus probables sans gran-des conséquences, mais également d’autres types de risques, cette fois lourds de conséquences, et qui, sans jamais survenir, pourraient ne pas être identifiés. Hiérarchiser les risques per-met d’établir des plans d’intervention et/ou de limitation de leur impact ou d’éviter d’en perdre la maîtrise.

veillés et notifiés chaque semaine. En outre, les gestionnaires de projet col-lectent chaque semaine des informa-tions sur le travail à accomplir pour fournir les informations indispensables à la gestion du processus complet.

Gestion des configurationsComme pour la gestion des besoins, un système global de gestion des configurations a été déployé avec un système de gestion du cycle de vie, offrant les avantages suivants : Communication : partage transversal de l’information avec tous les inter-venants, quelles que soient leur localisation et leur culture ;

Contrôle : tout le monde travaille sur la même version des documents ;

Responsabilité : les intervenants concernés doivent tous valider les documents ;

Qualité : obligation de vérifier l’aboutissement et la précision du travail ;

Partage des informations : utilisation d’un service système et d’une base de connaissances.

Seul un processus de développement bien compris et matérialisé est apte à satisfaire les besoins futurs du marché !

Deia Bayoumi

ABB Inc.

Allentown, PA (Etats-Unis)

[email protected]

Katja Rajaniemi

ABB Oy

Vassa (Finlande)

[email protected]

Eric Buchholtz

ABB Inc.

Raleigh, NC (Etats-Unis)

[email protected]

Bibliographie

[1] Smith, 1995, Surakka, 2005, Hoopes, Postrel,

1999

[2] Hooks, Farry, 2001

Notes1) Pour en savoir plus, lire « Gérer la chaîne de pro-

duction par les contraintes », Revue ABB 1/2006,

p. 252) Succession de tâches interdépendantes d’un

processus, la durée de la plus longue déterminant

l’affectation des ressources.


2 Modèle IDEAL

Apprentissage

Action

Mise en place

Diagnostic

Lancement

Incitation au changement

Définition

du

contexte

Mouvement

d’adhésion

Mise en place

des moyens

Bilan & objectifs

Recommanda-

tions

Priorités Choix de

la démarche

Plan

d’action

Création de

la solution

Expérimen-

tation de la

solution

Perfec-

tionnement

de la solution

Mise en

œuvre de

la solution

Analyse et

validationProposition

d’actions

futures

La robotique sans peine Grâce aux logiciels embarqués, les utilisateurs programment eux-mêmes leurs robotsIngela Brorsson, Ralph Sjöberg, Anna Liberg

58 Revue ABB 2/2006

2005 fut une année record pour les commandes de robots ABB. L’IRC5, armoire de commande de 5ème génération, s’est imposée sur le marché mondial avec des ventes supérieures à celles de son prédécesseur S4CPlus. L’IRC5 marque une date importante en robotique avec ses puissantes fonctionnalités MultiMove®, nouvelle référence dans la commande multi-robot. Une seule armoire suffit pour coordonner ou synchroniser des trajectoires complexes impliquant jusqu’à 4 robots (36 axes maxi).

Mais l’IRC5 n’est pas seule à ouvrir de nouveaux horizons. Le logiciel embarqué dans l’interface opérateur portative IRC5 FlexPendant permet aux utilisateurs de tirer profit des interfaces personnalisables.

59Revue ABB 2/2006

La robotique sans peine

Convivialité et flexibilité sont les maîtres mots de l’armoire de com-

mande IRC5. Son interface graphique FlexPendant constitue un progrès mar-quant à la fois en termes d’ergonomie et de technologie. Partie intégrante de l’IRC5 mais véritable petit ordinateur en lui-même, FlexPendant intègre le dernier cri de la technologie Microsoft pour les systèmes embarqués Windows CE .NET. De conception innovante, il convient aussi bien aux droitiers qu’aux gauchers, laissant l’autre main totalement libre. Autre exclusivité ABB : son combinateur de mouve-ments pour la commande intuitive des axes du robot. De plus, FlexPendant ne compte que huit boutons pour les fonctions critiques de démarrage et d’arrêt des programmes et, bien évi-demment, un arrêt d’urgence. D’autres touches fonctionnelles apparaissent, au gré des besoins, sur l’écran tactile graphique, notamment un clavier alphanumérique. Il s’agit là d’une réel-le avancée par rapport aux produits concurrents plus complexes. Suscepti-ble d’être exploité en continu en envi-ronnements industriels contraignants, FlexPendant se nettoie facilement et résiste aux projections d’eau, de pro-duits chimiques et même de soudure.

Le confort et la facilité d’utilisation ont guidé chacune des étapes de dé-veloppement de FlexPendant. L’écran tactile, qui nécessite un seul doigt, est rapide et intuitif ; l’interface à multife-nêtrage, avec ses pictogrammes recon-

nus universellement, est familière à la plupart des opérateurs du monde entier, minimisant les besoins de for-mation. Comme son nom l’indique, FlexPendant est flexible et personnali-sable. Actuellement, il dialogue dans 14 langues, y compris les langues asiatiques à idéogrammes comme le japonais et le chinois. Pour les gau-chers, il suffit de le retourner 1 . Qui plus est, sur les huit boutons, quatre sont programmables.

« L’équipe FlexPendant d’ABB était très perspica-ce et exigeante en termes de nouvelles fonction-nalités et de déboguage de notre plate-forme .NET CF, nous aidant incontestablement à l’améliorer. » Richard Greenberg1)

Processus de développement de FlexPendantLe développement de l’interface Flex-Pendant de l’IRC5 démarra fin 2001. Son cahier des charges cadrait parfaite-ment avec le système d’exploitation

embarqué de Microsoft, Windows CE 4.0, conçu spécifiquement pour les dis-positifs portatifs intelligents. Si le choix du système d’exploitation s’imposait, celui du modèle de programmation fut plus délicat. On envisagea la technolo-gie de composants COM/ATL associée à MFC pour créer l’interface utilisateur. Or la complexité du modèle de pro-grammation était un souci majeur car FlexPendant devait être sur le marché dans les deux ans et la technologie retenue devait par la suite servir à créer un kit de développement logiciel convivial pour permettre aux tiers de personnaliser l’interface. Dès le début du projet, la future plate-forme de Microsoft pour les dispositifs embarqués, .NET Compact Framework (.NET CF), s’imposa comme un modè-le de programmation plus performant, moins sujet aux erreurs et moins fasti-dieux. Or adopter une nouvelle tech-nologie présente un risque d’aléas techniques susceptibles de retarder le projet. Dans ce cas précis, il aurait fallu utiliser à la fois les versions alpha et bêta de Microsoft. Toutefois, l’attrait de .NET en termes de qualité et de productivité était indéniable. De surcroît, il permettait à ABB de mettre en œuvre son concept d’inter-face personnalisable.

La première année, l’équipe de déve-loppement ABB travailla en étroite collaboration avec Microsoft dans le cadre d’un programme EAP (Early

1 FlexPendant s’adapte en un tour de main aux opérateurs gauchers

2 L’allemand Klöckner-Desma a été un des premiers à adopter FlexPendant-SDK.


Note1) Responsable chez Microsoft du programme .NET

Compact Framework (avril 2006)

60 Revue ABB 2/2006


Adopter Program) pour .NET CF. La contribution de Microsoft à la réussite du projet a été essentielle et sa parti-cipation au programme EAP a garanti le développement simultané du Flex-Pendant et de sa plate-forme logiciel-le. Pour sa part, ABB s’était engagé à lancer FlexPendant rapidement après l’annonce de .NET CF en 2003.

ABB était quasiment le seul participant au programme EAP à explorer .NET CF sur Windows CE, les autres partici-pants utilisant PocketPC comme systè-me d’exploitation. Microsoft s’est véri-tablement investi dans le projet de dé-veloppement de FlexPendant ; pour preuve, le géant américain a utilisé des robots ABB pour faire la publicité de .NET à la télévision. Dès le départ, les relations de travail avec Microsoft furent empreintes d’enthousiasme et de professionnalisme. Le partenariat a débouché sur le lancement par ABB du tout premier produit industriel high tech sous Windows CE.NET. Le nom-bre de lignes de code développé pour FlexPendant est impressionnant : plus de 180 000 lignes exécutables en C# et environ 25 000 lignes en C++ pour la couche de communication avec l’armoire de commande du robot.

Kit de développement logicielLe projet du kit de développement logiciel FlexPendant-SDK démarra en 2003, parallèlement aux améliorations apportées au logiciel de base de l’in-terface. Un autre programme EAP pour les clients ABB fut rapidement mis en place et c’est l’entreprise alle-mande Klöckner-Desma, ciblant l’in-dustrie de la chaussure, qui y contri-bua avec plusieurs idées originales pour faciliter la fabrication des semel-les, notamment afficher à l’écran leur forme pour simplifier le réglage des positions et la trajectoire à suivre par le robot 2 . Alors que les robots sont généralement livrés avec une interface opérateur générique, une solution « métier » a les faveurs de chaque utili-sateur car elle est plus simple à utili-ser et optimise l’investissement de l’industriel en automatisation. Flex-Pendant-SDK est intégré au logiciel RAB (Robot Application Builder) 3 d’ABB depuis 2004. Il permet à un uti-lisateur ou un tiers de développer ses propres applications RAB qui sont in-tégrées aux fonctionnalités de base de

FlexPendant en utilisant la structure standard de menus. RAB constitue un progrès important de la technologie robotique et place les produits ABB en tête de ceux de ses concurrents.

« L’équipe ABB est à la pointe du progrès en matière de développement. L’interface FlexPendant est une des applications les plus perfectionnées que nous connaissons de la plate-forme .NET CF sur Windows CE. » Mike Zintel 2)

La plate-forme logicielle embarquée choisie pour FlexPendant est un gage de simplicité pour les utilisateurs de RAB. Pour les programmeurs, .NET se distingue par le modèle de program-mation fourni par la plate-forme .NET de Microsoft. Un de ses atouts est son indépendance vis-à-vis du langage de programmation, le développeur RAB étant libre d’utiliser n’importe quel lan-gage proposé par l’environnement de développement intégré Microsoft Visual Studio. La plupart privilégie C# ou Visual Basic qui allie sécurité et efficacité. La majorité des program-meurs sachant déjà programmer les plates-formes Windows avec Visual Studio, aucune formation poussée n’est nécessaire lorsqu’ils passent à RAB 4 .

Produits logiciels avancésPour écourter davantage les délais de développement des clients, Virtual IRC5 est inclus dans le logiciel RAB. En utilisant la technologie Virtual Robot, ABB installe littéralement une réplique virtuelle de l’armoire de com-mande IRC5 dans le PC du program-meur. Autre avantage majeur de .NET : son code compilé peut être exécuté sur toutes les plates-formes suppor-tées. Un FlexPendant virtuel est main-tenant inclus dans Virtual IRC5 paral-lèlement au dispositif réel. Les appli-cations du client peuvent ainsi être développées et testées sur PC, leur débogage étant facilité sur le FlexPen-dant virtuel ou réel. L’utilisateur relie sans difficulté son procédé à Visual Studio, insère un point d’arrêt dans le code et fait défiler son programme en cours d’exécution. Le développement d’applications temps réel pour les dis-positifs limités en capacité de traite-ment et de mémoire est toutefois plus complexe que le développement d’applications PC. C’est la raison pour laquelle la documentation utilisateur insiste sur la nécessité de compéten-ces en optimisation des performances et de l’espace mémoire.

Développements RAB en Chine et en SuèdeAujourd’hui, nombreux sont les clients à tirer parti de RAB : intégrateurs de systèmes robotisés, constructeurs automobiles et même ABB. En 2004, pour renforcer sa position en Chine et en Extrême-Orient, ABB a réuni une équipe de développement logiciel à Shanghai. Première mission : dévelop-per avec RAB une application logiciel-le pour accélérer la programmation et la mise en production des robots utili-

3 Avec RAB, les utilisateurs développent eux-mêmes leurs applications robot.


Note2) Responsable chez Microsoft de la production

de .NET Compact Framework (avril 2006)

61Revue ABB 2/2006


sés dans les applications de moulage par injection. Pour l’équipe, RAB offre une interface « propre » avec accès aux fonctionnalités de l’armoire de com-mande du robot, facilitant réellement le travail d’intervenants disséminés aux quatre coins de la planète. Le résultat de leur travail, RobotWare Plastics, a été lancé avec succès en 2005. Ici encore, la convivialité était un critère essentiel et les utilisateurs ont été étroitement associés dès la genèse du projet.

Un des premiers clients à travailler avec RobotWare Plastics fut le plastur-giste suédois AD-Plast. Fondée en

RobotWare Dispense, solution logiciel-le applicative pour l’encollage et la dépose de joints, fait partie de l’offre ABB depuis de nombreuses années. En 2005, une interface opérateur « métier » fut développée en Suède, en mettant à nouveau l’accent sur l’ergo-nomie et la création de valeur pour le client. Une interface utilisateur dédiée 6 présente, en temps utiles, des infor-mations et des fonctions ad hoc, pro-grès réel par rapport à une interface générique.

PerspectivesLa technologie embarquée sélection-née par ABB pour sa nouvelle généra-tion de robots aux fonctionnalités in-telligentes a plus que tenu ses pro-messes. Les atouts d’une plate-forme universellement connue, l’engagement durable de Microsoft sur le marché de l’embarqué et le dynamisme du mon-de PC contribuent à faire de Windows CE .NET un choix technologique pé-renne. Parallèlement, le leadership d’ABB sur le marché de la robotique se voit renforcé par le recours à une technologie pointue qui conjugue flexibilité et convivialité au service de la compétitivité d’ABB et de ses clients.

Ingela Brorsson

Ralph Sjöberg

ABB Robotics

Västerås (Suède)

[email protected]

[email protected]

Anna Liberg

ABB Robotics

Shanghai (Chine)

[email protected]

1963, cette entreprise de fabrication d’outillage s’est ultérieurement orientée vers le moulage par injection de pièces automobiles, principal débouché. La robotisation lui garantit des niveaux de qualité constants tout au long de la chaîne de fabrication et des prix com-pétitifs. RobotWare Plastics facilite et accélère la mise en œuvre de nou-veaux procédés de production. La pro-grammation des robots n’est plus affai-re de spécialiste car l’assistant intelli-gent de l’interface graphique guide les opérateurs pendant tout le processus. Autre fonctionnalité très utile, la repré-sentation graphique de la cellule de production 5 .


5 RobotWare Plastics : outil de programmation et d’exploitation d’un robot ABB servant une machine de moulage par injection. Des représentations graphiques de l’équipement et des pièces produites simplifient et rendent plus intuitive l’utilisation de l’interface.

6 Une application RAB d’encollage/dépose de joints est testée sur un PC avant d’être téléchargée dans un dispositif réel, tâche facilitée par Virtual IRC5.

4 Architecture du logiciel du FlexPendant

Plate-forme

Windows.NET CF

Pla

te-f

orm

eap

plic

ativ

e C

#

Windows CE 5.0

Appli 2 RABen C#

Appli 1 RABen Visual Basic

Commandes de l’interface utilisateur FlexPendant SDK, CAPI

C#

Bibliothèques de classesC#, C++

API interne basée sur COM vers armoire de commande du robot

C++/COM/ATL

Produit et présentation

Logique

Accès aux données

RAB App – Application développée avec le logiciel RAB (Robot Application Builder) dont FlexPendant SDK fait partie.

CAPI – Interface de programmation libre avec services pour armoires de commande robot

COM/ATL – Technologie composants de Microsoft

Bibliothèques de modèles actifs, série de classes C++ à base de modèles simplifiant la programmation avec COM.

*les flèches montrent les dépendances.

Flots de conception Coconception de la plate-forme de contrôle-commande avancé AC 800PECErnst Johansen

Ces dernières décennies, l’électronique de puissance a énormément gagné en performance et en vitesse, et a élargi le panorama de ses applications. Les convertisseurs de puissance doivent être toujours plus rapides, plus économiques, plus légers et plus flexibles tout en étant moins encombrants et en écourtant leur installation et leur maintenance.

L’implantation des systèmes de contrôle-commande correspondants pose de nombreux défis épineux, notamment du fait du domaine temporel à couvrir, allant de la nanoseconde à la seconde. L’approche « plate-forme » permet de réduire considérablement les coûts de développement et les risques y afférents. En utilisant des composants éprouvés, des systèmes très performants et de qualité peuvent être développés très rapidement, comme la plate-forme AC 800PEC d’ABB.

62 Revue ABB 2/2006

Les plates-formes de contrôle-commande permettent de répondre

aux exigences de réduction des délais et des coûts d’ingénierie. En même temps, elles constituent un point uni-que vulnérable qui est source de défaillance potentielle de l’ensemble du projet. Développer une plate-forme digne de ce nom impose un savant dosage entre optimisation de la réutilisation (facteur de réduction des coûts) et optimisation des perfor-mances (au détriment de la réutilisa-tion et, éventuellement, de la qualité).

Le secret de la réussite de la plate-forme de commande AC 800PEC ? Une méthodologie de coconception-covéri-fication qui débouche sur des produits de qualité et raccourcit les délais de mise sur le marché.

Concept de simulationLe concept à l’origine du contrôleur PEC (Power Electronic Controller) est un processus de développement avec des modèles de simulation directement convertis en code pour le contrôleur cible 1 , conversion qui ne nécessite aucune intervention manuelle. On supprime ainsi une source importante d’erreurs tout en garantissant un haut degré de confiance dans le comporte-ment des systèmes simulés et réels.

Architecture du contrôleur PECLa commande d’une électronique de puissance couvre un domaine tempo-rel très large, allant de la nanosecon-de (commutation) à plusieurs secon-des (mise en route). L’architecture PEC a l’avantage de couvrir cette échelle de temps sans compromettre la simplicité ni la flexibilité.

Pour permettre la conversion directe des modèles de simulation, l’architec-

63Revue ABB 2/2006

Flots de conception

Le programme de commande accom-plit deux types de tâches : les tâches lentes (≥ ms) et les tâches rapides. Pour ce faire, une conception classi-que utilise deux composants matériels distincts : une unité centrale (UC) pour les premières et un DSP pour les secondes. En examinant de près plusieurs applications, on comprit que la répartition de la charge entre tâches lentes (le plus souvent 100 s) et tâches rapides (10 ms en moyenne) était largement spécifique à chaque application. L’absence de règle univer-selle en la matière incita les déve-loppeurs à envisager une seule UC très performantes pour ces deux caté-gories. Outre le fait de résoudre le problème de répartition de la charge, cette architecture simplifie grande-ment la génération automatique du code.

Le concept à l’origine du contrôleur PEC (Power Electronic Controller) est un processus de dévelop-pement avec des modè-les de simulation directe-ment convertis en code pour le contrôleur cible.

Cette génération automatique du code temps réel à partir de modèles de si-mulation impose d’utiliser un outil disposant de cette fonctionnalité. C’est ainsi qu’ABB opta pour Matlab/Simu-linkTM de Mathworks®, complété du puissant module Real Time Work-shopTM (RTW) pour la génération du code cible.

L’architecture est conçue à la fois pour les petits systèmes bon marché dotés exclusivement d’E/S locales 2c et pour les gros systèmes nécessitant des E/S déportées sur fibre optique 2d . Ces deux configurations obligent à revoir totalement la conception des circuits d’E/S du contrôleur. Pour offrir une solution multi-applicative, on utilisa un circuit logique program-mable FPGA (Field Programmable Gate Array) de niveau système à la fois dans le contrôleur PEC et dans les nœuds d’E/S déportées. Outre sa grande souplesse, le FPGA a l’avantage de mettre en œuvre un flot de conception et de simulation très mature.

Tout comme le processus basé sur Matlab/SimulinkTM pour le développe-ment du code du contrôleur, le pro-cessus d’implantation du FPGA est basé sur un simulateur et un compila-teur. Même s’il existe des compilateurs qui convertissent certains modèles Matlab/SimulinkTM en code VHDL, ABB décida de ne pas utiliser ce type d’outil pour le PEC car la plupart des composants FPGA de sa bibliothèque ne sont pas efficacement modélisés ni vérifiés en langage Matlab/SimulinkTM. Un flot basé sur VHDL fut utilisé à la place pour les circuits numériques, à l’origine développé pour la conception des puces ASIC qui imposent d’emblée un haut rendement1). Qui plus est, il offre d’excellentes fonctionnalités de modélisation et de vérification.

Or, au moment de choisir l’architectu-re, l’inconvénient majeur était le coût des UC hautes performances et des FPGA de niveau système. Nous ver-rons plus loin comment ce problème a été résolu.

ture 2 se distingue de celle des systè-mes de commande classiques par l’absence de puce DSP dédiée (nor-malement synonyme de vitesse) et de châssis d’interconnexion des modules d’E/S. Quel est alors le secret de la vitesse du contrôleur PEC et du raccordement de ses E/S ?


3 Flots de coconception définis par modèles ML/SL et VHDL.

CPU

FPGA

s

nsIO

IO

ML/SL

VHDL

4 Les modèles de systèmes sont convertis dans le domaine temps réel pour une vérification accélérée par exécution sur le matériel PEC.

Simulator

Control Model

System Model

Real-TimeController

Real-TimeSystem Model

Accelerator

Real-TimePEC

Real-TimePEC

1 Le modèle simulé est automatiquement converti en code exécutable pour des applications temps réel.

Simulator

Control Model

System Model

Real-TimePEC

Real System

2 Un même modèle peut aisément être adapté pour gérer différents domaines temporels :

UC

FPGA

ms

s

ms

μs

nsIO FOIO

IO IO

a

b

cd

a tâche essentiellement rapideb tâche essentiellement lentec E/S localesd E/S déportées sur fibre optique

64 Revue ABB 2/2006

Flots de conception

Flots de conception pour la commande et la vérificationUn flot de conception est une solution type prédéveloppée pour résoudre un problème donné. Cette méthode est utilisée depuis longtemps par les ingénieurs logiciel. Toutefois, en coconception – ou conception conjointe du matériel et du logiciel embarqué – il est plus difficile de définir des flots génériques [1]. Le système de commande AC 800PEC met en œuvre la méthode des flots de conception pour résoudre plusieurs problèmes spécifiques aux applica-tions à électronique de puissance. Un ensemble de flots de conception réutilisables permet aux ingénieurs de développement de définir rapidement de nouveaux systèmes hautement complexes. Un ingénieur système peut ainsi consacrer toute son énergie à résoudre son problème en se fiant aux flots prédéveloppés pour les détails de l’implantation.

Le système PEC se distingue de la plupart des autres systèmes par ses flots de conception qui ne sont pas des modèles logiciels purs, mais des flots de coconception réutilisables 3 , précisément parce qu’ils couvrent les neuf unités de temps (de la ns à la s), ce que ne permet pas une seule tech-nologie (ex., logiciel).

La coconception pose toutefois un réel défi à la vérification des systèmes. Celle-ci doit impérativement apporter la preuve formelle de l’absence d’erreurs. Or la simulation d’un système de com-mande à neuf unités de temps est extrêmement lente. Simuler un système PEC complet exigerait plusieurs jours, voire des semaines sur une station de travail, laps de temps incompatible avec les délais de mise sur le marché.

Mais le concept PEC a une qualité intrinsèque qui permet de résoudre cet épineux problème de manière très élégante : il met en œuvre un proces-sus qui convertit directement les mo-dèles de simulation dans le code du contrôleur cible. Ce principe est non seulement applicable au modèle de commande, mais également au modè-le de l’environnement de simulation utilisé conjointement. En exécutant simultanément le modèle de comman-de et celui du système sur le contrô-leur PEC 4 , la vérification des flots de conception dans le domaine temps réel est fortement accélérée.

Le défi de la coconception pour les systèmes embarquésUn filtre de signaux peut être réalisé au moyen de circuits électroniques analogiques, d’un filtre numérique dans un FPGA ou encore d’un logiciel hébergé par une UC. Toutes ces solu-

tions offrent les mêmes fonctionnalités mais diffèrent totalement en termes de coût et de réutilisation. La coconcep-tion aide à choisir la meilleure solu-tion technologique.

Avec l’avènement des FPGA de niveau système, la reprogrammabilité n’est plus l’apanage du logiciel. Ces compo-sants ont notamment permis de nou-veaux flots de conception des matériels et des systèmes. Or, aucune méthode formelle de coconception n’existant, le défi reste entier pour les concepteurs de systèmes.

La vérification doit impérativement apporter la preuve formelle de l’absence d’erreurs.

Simuler les systèmes pour optimiser les flots de conceptionPour optimiser les algorithmes et les structures, différentes conceptions sont évaluées et comparées par simulation. Pour illustrer le processus de cocon-ception, voyons un circuit de conver-sion analogique-numérique (A/N).

Se devant d’améliorer le flot de concep-tion du circuit A/N existant sur le plan du coût et de la qualité (rapport signal-bruit), les développeurs sélectionnèrent différentes topologies 5 adaptées à l’architecture PEC. Ces topologies furent simulées dans l’environnement Matlab/SimulinkTM pour comparer leur complexité et leur qualité.

Les développeurs conclurent que, théoriquement, le meilleur rapport signal-bruit était obtenu en associant suréchantillonnage et filtres numéri-ques 5a (ces derniers offrant des capa-cités de mise en forme du bruit [2]). Le suréchantillonnage 5b-d utilisait un circuit A/N beaucoup moins cher, mais nécessitait un filtre numérique ultrarapide 25× soulevant plusieurs interrogations quant aux possibilités d’implantation du filtre, à l’exécution des calculs du filtrage dans l’UC ou le FPGA, et à l’intérêt d’accroître la charge de traitement numérique.

Génération directe du codeLa possibilité de convertir automati-quement les modèles de simulation en


5 Topologies de coconception pour la conversion A/N, avec différentes composantes de la tâche gérées par des circuits analogiques sur FPGA et CPU

1xADC

14-bit

25xADC

12-bit

25xADC

12-bit

25xADC

12-bit

N + +N N N+

ML/SL

VHDL

a b c d

ML/SL = Matlab/Simulink

65Revue ABB 2/2006

Flots de conception

applications de commande temps réel simplifia énormé-ment la création du code cible pour les différentes to-pologies. Le contrôleur PEC intégrant une fonction de surveillance de la charge, il était facile de mesurer la charge de l’UC pour toutes ces topologies 6 . L’exécution du filtre rapide 6b dans le logiciel générait une charge UC trop élevée et était irréa-lisable.

Matlab/SimulinkTM intégrant des bibliothèques complètes, il était inutile de développer un nouveau code pour la conception du filtre de l’UC.

Composants VHDL optimisésPour les filtres FPGA, on utilisa Mat-lab/SimulinkTM pour évaluer la topolo-gie et les caractéristiques des filtres ainsi que calculer les coefficients adé-quats. Les filtres furent implantés et simulés dans l’environnement VHDL.

Dans un FPGA, la charge est mesurée au niveau du circuit. Comparé à un fil-tre numérique implanté dans l’UC, un filtre FPGA offre beaucoup plus de

possibilités. La précision (nombre de bits), la fréquence d’horloge, l’architec-ture du filtre, le débit (échantillons par seconde), le nombre d’opérations de multiplication-accumulation (MAC) et le nombre de canaux par filtre sont tous programmables, offrant un vaste choix de conceptions, avec des charges diffé-rentes. La topologie 5c avec un filtre ultrarapide fonctionnant à l’intérieur du FPGA et un filtre plus lent calculé par l’UC, s’avéra la solution de

coconception la plus économi-que et fut donc retenue pour la conversion A/N 7 .

Vérification en vraie grandeurPendant le processus de co-conception, le système réel fut modélisé, y compris le rapport signal-bruit prévisible. Dans de nombreux systèmes, le bruit est imprévisible et sa simulation peu fiable. La véri-fication en vraie grandeur res-te, par conséquent, importan-te pour garantir la qualité du produit 8 .

Coût et performance : cible mobile Lors du choix de l’architecture PEC en 1999, le coût de l’UC

et du FPGA de niveau système posait problème. En effet, très chers à l’épo-que, ces composants étaient réservés principalement aux applications haut de gamme comme les simulateurs de vol et le prototypage d’ASIC.

Alors que les technologies de fabrica-tion des circuits numériques progres-saient très rapidement, les coûts de fabrication des UC et des FPGA chu-taient de manière spectaculaire (– 90 % en 5 ans). Leur arrivée sur le marché mit en évidence un autre point fort de l’architecture, à savoir son excellente portabilité. Aujourd’hui, les contrô-leurs AC 800PEC d’ABB, fabriqués en 90 nm, sont des produits d’excellente qualité proposés à un prix très com-pétitif.

Ernst Johansen

ABB Schweiz AG

Turgi (Suisse)

[email protected]

Bibliographie

[1] F. Mayer-Lindenberg, Dedicated Digital Proces-

sors: Methods in Hardware/Software Co-Design,

John Wiley & Sons (February 12, 2004),

ISBN 0-470844-44-2

[2] Walt Kester, Analog-Digital Conversion,

Analog Devices Inc. (March 2004),

ISBN 0-916550-27–3, 2.37–2.41

Note1) Rapport du nombre d’unités « bonnes » (ne nécessi-

tant aucune reprise) sur le nombre total produit.

8 Vérification temps réel de filtres de conversion A/N 12 bit/1MSps (jaune) et d’un filtre FPGA avec mise en forme du bruit (rose)


6 Evaluation de la charge cible des variantes 5b-d

ML/SLRTW

Compiler

Target CPULoad

Monitor

dcb

Simulator

7 Modèle de filtre VHDL optimisé (variante 5c )

VHDL

ML/SLVHDLTestbench8 Ch

IIR

1x MAC

80 MHz

35-bit

c

ML/SL = Matlab/Simulink

Une application industrielle peut de nos jours héberger des milliers de sous-systèmes embarqués qui doivent échanger à distance avec leur environ-nement, moyennant leur propre liaison de données et de puissance. Or ce câblage, coûteux à installer, est aussi une cause fréquente de défaut et un frein à la flexibilité. Le filaire a vécu : place au sans-fil !

Ces dernières années, les radiocom-munications ont fait une entrée remar-quée dans l’automatisation industrielle [1]. Mais il leur reste à relever le défi de l’alimentation sans fil. En 2004, ABB commercialisait une gamme de pro-duits inédits : des détecteurs de proxi-mité à la fois communicants et alimen-tés sans fil. Cette innovation a donné corps à la technologie d’interfaçage sans fil avec les capteurs/actionneurs WISA (Wireless Interface to Sensors and Actuators) [2] qui ouvre la voie à de nouveaux produits et modes de communication.

Sans fil et sans reproche : l’alimentation WISA coupe le cordonGuntram Scheible, Rolf Disselnkoetter

66 Revue ABB 2/2006

67Revue ABB 2/2006

Sans fil et sans reproche

Les équipements tirant le meilleur parti d’une alimentation sans fil

sont des constituants d’automatismes distribués, à savoir des capteurs et ac-tionneurs « intelligents », généralement implantés à distance dans des sites dépourvus d’alimentation ou difficiles d’accès, embarqués dans de nombreux dispositifs (équipements en mouve-ment, comme les robots) ou soumis à des environnements haute tension.

Dans ces applications, l’efficacité énergétique est une priorité. La con-sommation électrique du sans-fil clas-sique (en bureautique, par exemple) est d’ordinaire bien plus élevée que celle des systèmes dédiés, conçus d’emblée dans une optique de faible puissance. Ces derniers permettent souvent d’économiser l’énergie en uti-lisant des régimes de fonctionnement en mode hiérarchique pulsé. L’essen-tiel des tâches industrielles (collecte de données, manœuvre, traitement et communication . . .) ne s’exécutant qu’à un instant donné, elles peuvent s’appuyer sur des communications par impulsions entrecoupées de phases « dormantes », économes en énergie.

Une alimentation sans fil multisourceEn règle générale, cette énergie peut être : intégrée au système (batteries, piles à combustible . . .) ;

puisée du milieu environnant (lumière , chaleur, vibrations, inter-vention de l’opérateur . . .) ;

transmise au système par voie opti-que, radio, acoustique . . .

Les unités primaires WPU100 se règlent et se commandent automatique-ment, le système d’alimen-tation WISA-power se pliant ainsi à diverses applications par simple modification des géométries d’enroulement primaire.

Si tout un chacun accepte de charger ou de remplacer régulièrement la bat-terie de son appareil, il n’en va pas de même de l’industriel. Dans des sites coupés du monde, la batterie, éven-tuellement relayée par le solaire ou la géothermie, est la seule solution via-ble. A l’inverse, l’usine et ses centai-nes de dispositifs exigeant une ali-mentation constante et fiable, de jour comme de nuit, écarte cette option pour cause de densité volumique trop faible (environ 1,2 Wh/cm3). La pile à combustible, a priori plus prometteu-se, n’est guère mieux lotie avec une densité dépassant à peine 2 Wh/cm3

et encore beaucoup de chemin à par-courir avant de prétendre à la « démo-cratisation » industrielle.

Les énergies renouvelables ne répon-dent pas non plus aux exigences de l’industrie : imprévisibles, tant en ter-mes d’usage que de fiabilité, elles induisent de considérables frais d’étude et de développement pour s’adapter à chaque cas de figure.

Après fine analyse des différentes options envisageables [3], il s’avère que la seule solution validée et uni-versellement applicable est fondée sur des fréquences radio à ondes lon-gues, sorte de « couplage magnétique ».

3 Montage Helmholtz de bobines rectangulaires intégrées dans une application industrielle : D = distance entre bobines, S = dimension la plus faible (largeur ou hauteur)


2 Alimentation sans fil WISA-power : l’alimentation a fournit à la boucle primaire b un courant à 120 kHz. Les capteurs c de cette boucle sont équipés de bobines secondaires. A droite, schéma du circuit équivalent avec couplage.

a a

b

cb

c

c

c

c

c

c

1 Les techniques d’alimentation sans fil ABB reprennent le principe bien connu du transformateur.

Principe du transformateur

Tech

nolo

gie

s

Gro

s vo

lum

es

San

s fil

Moy

enne

pu

issa

nce

San

s co

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puis

sanc

e S

ans

cont

act

Capteurs

individuels E/S sans fil Vannes

Autres (servo-

entraînements) Soudage

Bobines primaires

Bobines secondaires

Puissance/W (eff !)

10 m 100 m 1 10 1 k 100 k

WISA-power

5 Bobine primaire WISA-power en boucle, intégrée dans une enrouleuse de câble de l’usine ABB High Voltage Cable, à Karlskro-na (Suède) : 156 détecteurs de proximité sans fil WPS et leur électronique embarquée effectuent un complexe mouvement de rotation 2D au cœur de la machine pour assurer une production sans faille.

4 Bobine primaire WISA-power individuelle, intégrée dans une machine-outil : la bobine réceptrice et l’électronique embarquée sont du client (système DDU WiSy de surveillance d’outil sans fil, avec l’aimable autorisation de la société Artis) [5].

68 Revue ABB 2/2006


ABB compte plusieurs techniques d’alimentation utilisant ce principe 1 , avec un large choix d’applications et de niveaux de puissance, selon la distance desservie.

Les besoins énergétiques des disposi-tifs électroniques répartis (capteurs individuels et E/S sans fil des architec-tures d’automatismes de la production manufacturière) sont couverts par la première génération de produits WISA 1 . L’alimentation sans fil WPU100, associée à une bobine faisant office de « boucle primaire », délivre une fai-ble puissance sur quelques mètres : une solution convenant à la majorité des capteurs/actionneurs des sites manufacturiers.

WISA-power : l’« alimentation magnétique »Le principe de base d’une source d’énergie induite d’un champ magnéti-que peut se décrire à l’aide du célèbre modèle de transformateur 2 : la WPU100 alimente l’imposante bobine primaire 2b pouvant encercler une cel-lule de production, le secondaire étant constitué d’une multitude de petites bobines réceptrices 2c , chacune équi-pée d’un noyau de ferrite pour accroî-tre le flux collecté par la bobine.

Pour ce type de « transformateur », le couplage magnétique est faible. La puissance de réception est fonction de l’importance du champ magnétique au niveau du secondaire. Toutefois, si les enroulements primaires sont disposés comme des bobines de Helmholtz 3 , ce paramètre (et, donc, la puissance de réception) est tout à fait constant dans un grand volume.

Le calcul du nombre et de la taille des enroulements primaires obéit à une équation très simple : D = 0,7 × S, S étant la plus faible dimension (largeur ou hauteur) d’une bobine et D la dis-tance entre bobines pour garantir une intensité de champ uniforme dans l’installation 3 .

Même si on occupe rarement la cellu-le de production en continu, l’intensi-té de champ est en toutes circonstan-ces (y compris dans le périmètre de la cellule) conforme aux recommanda-tions et législations internationales du travail [4]. A 120 kHz, WISA-power

fonctionne à l’identique de bon nom-bre de systèmes d’anti-intrusion et d’identification électronique utilisés dans la petite et grande distribution.

Avec WISA, les deux grandes problématiques du domaine – distribution de puissance et fiabilité de la communication temps réel – sont aujourd’hui résolues.

Ce champ magnétique d’intensité limitée permet de moduler les niveaux de puissance selon les besoins, en modifiant la taille de la bobine secon-daire. Des systèmes embarqués peu-vent ainsi être couplés à une alimen-tation sans fil par insertion d’une bobine réceptrice et d’un circuit adéquats. 4 en est un bon exemple : la société allemande Artis (Bispingen) s’est inspirée de la technologie WISA-power pour créer, côté secondaire, sa propre électronique adaptée aux besoins spécifiques de l’instrumenta-tion d’outillage [5].

Les pertes du système, étonnamment faibles, sont surtout liées aux pertes par conduction dues à l’effet de peau et aux courants de Foucault dans la bobine ou les objets métalliques environnants. Dans l’industrie, elles oscillent autour de 15 W/m3.

Alimentation par résonance à fréquence moyenneCes transformateurs atypiques fonc-tionnent mieux en mode « résonant » dans lequel les valeurs d’inductance (fuites) relativement élevées du trans-formateur sont compensées par une capacité permettant à l’alimentation WPU100 de stimuler le circuit réso-nant à des tensions relativement bas-ses. La WPU100 doit aussi pouvoir gommer certaines lacunes : Modifications de l’environnement dans le temps, provoquées notam-ment par de gros objets métalliques en mouvement (robots . . .) ;

Fortes dispersions de la « charge » dues aux différents dimensionne-ments des bobines primaires (valeurs d’inductance) et aux pertes induites par courants de Foucault dans les objets métalliques avoisi-nants ;

Autres systèmes d’alimentation sans fil connexes, éventuellement res-ponsables d’un couplage inductif.

Pour compenser ces aléas, la WPU100 comprend une unité de commande rapide et extrêmement précise qui maintient automatiquement le primai-re à la fréquence de résonance fixe de 120 kHz ; la WPU100 s’adapte à des charges inductives de 11 à 54 µH et à des courants d’alimentation compris entre 4 et 24 A.

Les unités primaires WPU100 se rè-glent et se commandent automatique-ment, le système d’alimentation WISA-


69Revue ABB 2/2006


power se pliant ainsi à diverses appli-cations par simple modification des géométries d’enroulement primaire (par exemple, bobines disposées en boucle ou en ligne, ou encore isolées 4 5 ) : des aménagements bien utiles si l’alimentation sans fil n’est nécessai-re que dans certaines parties de l’ins-tallation, par exemple dans des équi-pements se déplaçant le long d’une trajectoire annulaire ou linéaire, ou pour pallier ponctuellement des zones critiques du système.

Par son exceptionnelle souplesse d’adaptation, la WPU100 trouve aussi emploi dans des applications équipées de récepteurs personnalisés, collant à des besoins applicatifs et géométri-ques précis 4 .

Champ tournantLes champs magnétiques unidirection-nels peuvent être involontairement canalisés par des objets métalliques. On y remédie par un montage ortho-gonal de deux boucles, alimentées par des sources distinctes dont les cou-rants sont en décalage de phase de 90 ° : d’où l’obtention d’un champ tournant continu, bidimensionnel.

Récepteur omnidirectionnelPour gagner en puissance, côté récep-teur, les enroulements secondaires doivent aussi fonctionner sur un mode résonant. De plus, pour obtenir une puissance indépendante de l’orienta-tion du récepteur par rapport au vec-teur champ primaire, le choix d’ABB

s’est porté sur un agencement ortho-gonal de trois bobines se partageant un noyau commun. Facilement régla-ble à la fréquence de résonance fixe, cette disposition se prête bien à la production de masse.

Les techniques d’alimen-tation et de communica-tion WISA modulaires et génériques, amorcées avec les détecteurs de proximité sans fil, investis-sent aujourd’hui d’autres équipements et applica-tions.

Moyennant ce procédé, les densités de puissance disponibles dans les cas les plus défavorables, en situation réelle, restent de l’ordre de 1,2 mW/cm3. Le niveau de puissance absolu peut varier selon la taille et la forme de la bobine.

L’évolutivité et l’intégration des bobi-nes de réception WISA-power dans des produits ont fait leur preuve dans plusieurs applications. La consomma-tion totale du détecteur de proximité sans fil et de son électronique 6 est très inférieure à 10 mW ; le nouveau WSP100 7 , qui permet de raccorder et d’alimenter 8 têtes de capteur, peut d’ores et déjà fournir plusieurs dizai-nes de milliwatts dans les conditions les plus défavorables. En temps

normal, un appareil WISA-power de même taille est capable de délivrer des centaines de milliwatts et, dans des conditions maîtrisées, jusqu’à 1 watt.

Un avenir illimitéEn conjuguant communication et alimentation sans contact, ABB a beaucoup fait progresser la technolo-gie des systèmes embarqués sans fil : avec WISA, les deux grandes problé-matiques du domaine – distribution de puissance et fiabilité de la commu-nication temps réel – sont aujourd’hui résolues.

Les techniques d’alimentation WISA-power et de communication WISA-com modulaires et génériques, amor-cées avec les détecteurs de proximité sans fil, investissent aujourd’hui d’autres équipements et installations, et gagnent ainsi de nouveaux hori-zons.

Guntram Scheible

ABB STOTZ-KONTAKT GmbH

Heidelberg (Allemagne)

[email protected]

Rolf Disselnkoetter


Ladenburg (Allemagne)

[email protected]

Bibliographie

[1] Niels Aakvaag, Jan-Erik Frey : Réseaux de cap-

teurs sans fil, champions des économies d’éner-

gie, Revue ABB 2/2006, p. 39-42

[2] Jan-Erik Frey, Andreas Kreitz, Guntram Scheible :

Connecter sans brancher, Revues ABB 3/2005 et

4/2005

[3] G. Scheible : Wireless energy autonomous

systems: Industrial use ? Sensoren und Mess-

systeme VDE/IEEE Conference, Ludwigsburg,

Germany, March 11–12 2002

[4] Commission internationale pour la protection

contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP) :

Guide pour l’établissement de limites d’exposition

aux champs électriques, magnétiques et électro-

magnétiques – Champs alternatifs (de fréquence

variable dans le temps, jusqu’à 300 GHz). Health

Physics vol 74, no 4, 494–522, 1998

[5] Berend Denkena, Dirk Lange, Dipl.-Ing. Jan Brink-

haus : Spielraum in der Überwachung; Fachzeit-

schrift mav « maschinen anlagen verfahren »

Konradin Verlag Robert Kohlhammer, 2005

6 Intégration du « cube de puissance » WISA-power dans le module de communication WSIX100 d’un détecteur de proximité sans fil

7 Intégration d’un « cube de puissance » WISA-power dans le détecteur WSP100 pour alimenter 8 têtes de capteur et leurs transmissions WISA-com temps réel


Résoudre un problème par une solu-tion électronique a de quoi causer bien des migraines aux bureaux d’études ! Le rythme effréné de renouvellement des produits donne l’amère impression de ne jamais disposer de la technolo-gie dernier cri. Aussi les concepteurs de systèmes embarqués s’échinent-ils à engranger toujours plus de puissan-ce de traitement dans une même puce : une quête obstinée de la perfor-mance et de la miniaturisation, sous la

Les FPGA embarquent en masse La conception FPGA en VHDLErik Carlson, Franz Zurfluh, Catherine Körbächer

70 Revue ABB 2/2006

Un FPGA est un dispositif semi-conducteur constitué de cellules

logiques et d’interconnexions pro-grammables, permettant de décupler la performance de portes logiques élémentaires (ET, OU, XOU, NON) ou de fonctions combinatoires plus complexes (décodeurs, opérations mathématiques simples). Dans la plupart des FPGA, ces « blocs logi-ques » comprennent également des éléments de mémoires pouvant prendre la forme de simples bascules ou de blocs complets.

Cette technologie, qui ne date pas d’hier 1 , s’est vue au départ bridée par son coût et ses performances médiocres qui ont limité son emploi au prototypage rapide, les circuits spécifiques ASIC 1) s’arrogeant les grandes séries.

Aujourd’hui, les ASIC connaissent une inflation des coûts, tant en développe-ment qu’en outillage, revers de leur complexité croissante : avec les pro-grès de la miniaturisation et des outils

pression croissante des délais de mise sur le marché. C’est oublier que les clients, plutôt qu‘investir dans la nouveauté, préfèrent exploiter l’exis-tant, à grand renfort de mises à niveau ou d’ajouts fonctionnels. La solution réside dans l’« embarqué » qui vise à intégrer étroitement matériel et logiciel.

Ainsi les circuits logiques programma-bles FPGA viennent-ils détrôner les processeurs numériques de signal.

Dans la logique FPGA, matériel et logi-ciel bénéficient de la même souplesse, tout en assurant rapidité de traitement, faible consommation électrique et réutilisation d’une technologie aboutie.

Les FPGA sont employés de longue date par ABB, notamment dans l’auto-matisation et l’appareillage moyenne et haute tension. Cet article se penche sur leur conception et leurs avantages pour ABB.

71Revue ABB 2/2006

Les FPGA embarquent en masse

quent pas d’optimiser plusieurs équi-pements portables fonctionnant sur batterie, pour lesquels la consomma-tion est déterminante. Hélas, la minia-turisation des circuits crée de forts courants de fuite statiques qui pèsent sur le choix de la technologie FPGA optimale.

Pour les conceptions en faibles volumes, les FPGA s’avèrent à présent plus rentables que les ASIC.

Les FPGA gagnent aussi en fonction-nalités. Leur architecture physique fixe (rangées de portes) présente le dou-ble intérêt de réduire l’encombrement et d’augmenter la vitesse. Parmi les fonctions embarquées, citons des mul-tiplieurs, des blocs DSP génériques, des processeurs, des E/S haut débit et des mémoires, auxquelles s’ajoutent des conceptions prêtes à l’emploi et validées pour des tâches de traitement évoluées comme les transformées de Fourier rapides (FFT) pour l’analyse des harmoniques, les algorithmes CORDIC 3) pour le traitement vectoriel et de puissants cœurs de micropro-cesseurs. Ces blocs fonctionnels « IP » (Intel lectual Property), réalisés avec des cellules logiques normales, sont commercialisés par les fabricants de FPGA et les autres acteurs du marché.

Des challengers de tailleNaguère cantonnés à la logique pro-grammable de base, voire au proto-typage et au remplacement d’ASIC, les FPGA migrent vers l’intégration de système complet sur une puce ou « SoC » (System-on-Chip). Ces dix der-nières années, le nombre de portes et de fonctions des FPGA a grimpé en flèche, leur densité ayant été multi-pliée par plus de 200 et leur vitesse par plus de 20 : de quoi damer le pion aux ASIC ! Tout aussi impressionnants sont les progrès en matière d’architec-ture, de circuit et de méthodologie de conception. Les fréquences d’horloge externes ont franchi les 150 MHz et le coût d’un FPGA de 10 000 portes a été réduit par plus de 100. Les E/S doivent être compatibles avec de nombreux standards émergents et capables de piloter les lignes de transmission.

Circuits spécifiques implantés en FPGADes blocs logiques configurables (CLB) fournissent les éléments fonctionnels de la logique combinatoire et syn-chrone. Les FPGA modernes embar-quent des générateurs de fonctions (tables associatives « LUT » et registres à décalage), des éléments de mémori-sation, des opérateurs arithmétiques et des multiplexeurs.

La gestion et la modification du signal d’horloge passent par des boucles à verrouillage de phase PLL4) analogi-ques ou des boucles à verrouillage de retard DLL5) numériques pour la com-pensation des variations temporelles et la synthèse d’horloge (multiplica-tion/division de fréquence). Les der-nières générations de FPGA intègrent des circuits PLL/DLL souples d’utilisa-tion ; certains assurent un multiplexa-ge d’horloge affranchi des parasites ainsi que l’arrêt de l’horloge pour les applications à faible consommation.

Les blocs d’entrée/sortie (IOB) consti-tuent des interfaces évoluées, pro-grammables en entrées, sorties ou bidirectionnelles ; les registres sont des bascules déclenchées sur front ou des circuits à verrouillage sur niveau. Les IOB se plient à un large choix de standards d’E/S simple fil (LVTTL, PCI 6)) et mettent en œuvre des liaisons série différentielles. Le der-niercri de la technologie FPGA est compatible avec bon nombre de spé-


de conception, leur capacité d’intégra-tion maximale est passée de 5000 à plus de 100 millions de portes ! Pour les conceptions en faibles volumes, les FPGA s’avèrent à présent plus ren-tables. Autres avantages : une mise sur le marché accélérée, des coûts d’ingé-nierie non récurrents moindres, le bénéfice de la reprogrammabilité in situ et de l’ajout de fonctions ou la correction des bogues. De plus, leurs blocs logiques et interconnexions pro-grammables permettent à un même circuit de servir bien des applications. Enfin, la régularité de leurs cellules logiques se prête aux petites géomé-tries. Au final, la dynamique des FPGA vient avantageusement démentir la loi de Moore 2).

Les FPGA modernes comptent plu-sieurs millions de portes. Leurs inter-connexions peuvent être multicouches (9 maxi), facilitant ainsi le contrôle et le test en phases de développement et de débogage. De puissants amplifica-teurs de signal d’horloge et de com-plexes logiciels de routage permettent d’atteindre des fréquences internes de l’ordre du GHz.

Comparés aux ASIC, les FPGA pèchent par leur lenteur, leur inaptitude aux conceptions évoluées et leur consom-mation énergétique. Pour réduire celle-ci, les amplificateurs de signal d’horloge se mettent en veille lors-qu’ils sont inutilisés, ce que ne man-

1 Évolution sur 20 ans des FPGA et de leur champ d’application

Per

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ion

1980 1990 2000

Portes et bascules

AdditionneursCompteurs

Mémoires d‘instructions et

de données

PCI Filtres FFT/FIR

CryptageDécodage MP3

Automatisationindustrielle

Imagerie médicaleSystèmes de commande

Cartes graphiques Imprimantes

Logique de base

Intégration de petits systèmes

LSI

Applicationsspécifiques

Applicationsde volume

72 Revue ABB 2/2006


cifications et de niveaux de tension d’E/S.

De petites mémoires RAM peuvent être émulées avec des CLB, mais ils sont lents et consomment beaucoup de logique. Nombreux sont les FPGA actuels à intégrer des mémoires à sim-ple, double et quadruple accès facili-tant la réalisation de RAM optimisées en coût et performance.

Les FPGA modernes embarquent d’autres circuits spécifiques :

Cœurs de processeur matériels/logi-ciels : les FPGA hébergeant un IP pro-cesseur en dur constituent une nou-velle catégorie de microprocesseurs ; il existe en effet des unités centrales de 8 ou 32 bits. Les deux principaux composants d’une plate-forme FPGA sont le cœur d’UC et l’architecture de bus sur silicium.

Multiplieurs : certaines familles de FPGA comportent des multiplieurs matériels dédiés de 8 × 8 bits à 18 × 18 bits pour renforcer la puissance de calcul. Précisons qu’ils peuvent être modélisés dans la quasi-totalité des FPGA avec des CLB, mais ils accapa-rent beaucoup de ressources logiques tout en étant plus lents que leurs équivalents dédiés.

Méthodologie de conceptionLa conception d’un FPGA d’un million de portes pose des problèmes de systè-me et d’architecture. Il faut employer des langages modernes de type UML7) pour garantir une spécification et une conception correctes. La simulation et la vérification, quant à elles, ont souvent recours à Matlab® ou à d’autres outils évolués. Par contre, la description logi-que se fait essentiellement en HDL (Hardware Description Language).

Le langage HDL décrit un circuit élec-tronique en termes de fonctionne-ment, de conception et de test pour vérifier son comportement par simula-tion. Contrairement à un langage de programmation logiciel, la syntaxe et la sémantique HDL comprennent des notations explicites pour exprimer les notions fondamentales de temps et de parallélisme des composants du cir-cuit. En CAO électronique numérique, FPGA et ASIC se programment géné-

ralement en VHDL (Very High speed integrated circuit Hardware Descrip-tion), puissant langage de conception, de simulation et de synthèse logique.

VHDL fut commandé au début des an-nées 80 par le ministère américain de la Défense pour documenter le com-portement des ASIC intégrés par ses fournisseurs de matériel ; il avait alors vocation à se substituer aux énormes manuels abscons. En conception de systèmes, VHDL a l’avantage de décrire le comportement du circuit désiré (mo-délisation) et de le valider (simulation) avant inscription du design dans le sili-cium par les outils de synthèse. Autre mérite, il autorise la description d’un système parallèle (concurrent) et en synthétise la structure détaillée à partir d’une spécification plus abstraite.

Les FPGA font de remar-quables coprocesseurs ou pré-/post-processeurs pour soulager la charge de calcul massif du pro-cesseur central.

Flot de conception VHDLLa description structurelle et compor-tementale d’une application, avant télé chargement dans le FPGA, se fait en plusieurs temps 2 .

Première étape, le codage de la concep-tion. On peut pour cela employer un langage de description matérielle (VHDL, Verilog ou SystemC) ou géné-rer le code à l’aide de compilateurs système (cf. plus loin « Conception d’applications DSP sur FPGA »). Un banc de test est développé en parallè-

le pour vérifier la conception au moyen d’un simulateur qui se charge de l’exécuter et d’en valider les résul-tats. Lorsque la conception est exemp-te d’erreurs, une synthèse complète est lancée dont on récupère une re-présentation intermédiaire du matériel ou « liste d’interconnexions » (netlist), destinée à l’outil d’implantation physi-que et topologique.

L’étape suivante de « placement-routa-ge » consiste à reproduire les blocs logiques décrits dans la netlist en macrocellules, interconnexions et bro-ches d’E/S. Cela revient à calquer la netlist sur l’architecture effective du FPGA. Or cette étape a ses contraintes de vitesse et d’optimisation de surface. L’outil d’implantation topologique peut produire une autre netlist contenant les informations de retard au format SDF 8). Cette netlist peut aussi servir à la simulation, avec le banc de test, pour vérifier le comportement tempo-rel du circuit. On obtient au final un fichier binaire de configuration, télé-chargeable directement dans le FPGA ou dans sa mémoire de contrôle.

Les FPGA s’invitent dans le traitement de signalLes FPGA de dernière génération (y compris les moins chers) possèdent les fonctionnalités de base pour accé-der au traitement numérique de signal. Ils font ainsi de remarquables coprocesseurs ou pré-/post-processeurs pour soulager la charge de calcul massif du processeur central. Préférer un FPGA à un DSP pour exécuter des algorithmes de traitement du signal donne au concepteur une plus grande liberté de manœuvre. Les calculs hautes performances 3 peuvent être réalisés de deux façons : en parallèle


2 Flot classique de conception VHDL

Codage de la conception

Synthèse

Langage VHDL

Netlist

Implantation

Netlist VHDL

Langage VHDL

Simulation

SDF & Netlist

Développementdu banc d‘essai

Génération du fichier binaire

73Revue ABB 2/2006


pour gagner en vitesse, en semi-paral-lèle ou en série pour miser sur la ren-tabilité économique de l’application. L’architecture est personnalisable pour respecter les objectifs de performance et de coût.

Les FPGA modernes comptent plusieurs millions de portes.

Pourtant, les conceptions DSP implan-tées en FPGA sont freinées par les outils de conception. Concevoir des DSP sur des puces logiques program-mables impose des algorithmes et outils de développement HDL de haut niveau. A l’heure actuelle, les grands fournisseurs de FPGA proposent des outils de réalisation de DSP permet-tant d’écourter les cycles de concep-tion ; ces outils combinent les fonc-tions de développement d’algorithme, de simulation et de vérification Matlab® et Simulink® avec la synthèse, la simulation et le placement-routage.

4 illustre un exemple de réalisation de filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) à N coefficients dans un DSP, suivant une architecture von Neu-mann9) ; dans ce cas, il faut un total de n cycles pour produire la sortie. A l’inverse, un FPGA peut traiter des opérations de multiplication-accumula-tion (MAC) en parallèle, le calcul ne nécessitant qu’un cycle d’horloge !

Conception d’applications DSP sur FPGAIl arrive souvent que la partie DSP du design FPGA soit juste un bloc noyé dans une réalisation plus vaste utili-sant les méthodes et outils de concep-tion traditionnels des puces program-mables. L’avenir passera par une démarche de conception « système » intégrée, facilitant la simulation et le développement de chaque composan-te spécifique. De nombreuses métho-des entrent dans le champ des possi-bles, depuis le codage manuel, la conception à base de modèles et la synthèse RTL 10) à partir de C/C++, jusqu’à la synthèse DSP pour la modé-

lisation et l’implantation de fonctions DSP en FPGA. Conception à base de modèles : Matlab® est un environnement de modélisation mathématique très répandu ; son extension graphique, Simulink®, est un outil de simulation de systèmes continus et discrets, doté de bibliothèques de modèles DSP, de systèmes de communication et de fonctions d’analyse de don-nées et de visualisation. L’ensemble constitue une bonne plate-forme de conception FPGA. Les fournisseurs de FPGA ont d’ailleurs greffé à Simulink® des outils de modélisation de système, à savoir des modèles d’IP paramétrés représentant certai-nes opérations DSP telles que les FFT ou le filtrage FIR. Reste une lacune : le passage du domaine algorithmique à celui de l’implanta-tion n’est pas totalement automati-que, ce qui oblige à traiter en manuel de nombreux aspects de bas niveau du modèle.

C/C++ en RTL : des outils existent pour réaliser la synthèse RTL à par-tir du code C/C++. Certains nécessi-tent un complément d’informations spécifiques à l’architecture, dans le code source C, pour définir le paral-lélisme du circuit et en analyser les délais, tandis que d’autres effectuent la synthèse directe de RTL à partir de ANSI C ou C++.

Xilinx : premier fournisseur mondial

Altera : numéro deux du secteur Lattice Semiconductor : FPGA optimisés en performance et en coût, FPGA non volatils à base de flash

Actel : FPGA à flash repro-grammable et technologie antifusible

QuickLogic : produits antifusibles (programmables une seule fois)

Cypress Semiconductor Atmel : microcontrôleurs AVR avec matrice FPGA sur la même puce

Achronix Semiconductor : FPGA ultra-rapides

Les fabricants de FPGA et leurs spécialités

4 Processeur DSP traditionnel (gauche) et solution FPGA (droite) avec traitement parallèle

FPGA

MAC operations in 1 clock cycle

DSP

Data in

Loop algorithm n times

Reg

MAC

Data out

x

+

x

Data in Reg 0 Reg 1 Reg 2 Reg n

x x x

+

Data out

C 0 C 1 C 2 C n

3 L’exécution d’algorithmes de traitement de signal en FPGA, plutôt qu’en DSP, donne au concepteur davantage de liberté pour optimiser le circuit en termes de vitesse (traitement parallèle) ou de coût (série).

Semi-Parallel SerialParallel

DQ DQ


74 Revue ABB 2/2006


Synthèse DSP : les outils de synthèse DSP permettent aux ingénieurs de concevoir et de simuler des algorith-mes DSP dans Simulink®. Le passage automatisé de la conception à la description RTL est également assuré : Simulink propose à cette fin des « collections de blocs DSP ». Le concepteur n’inter-vient qu’au niveau algorith-mique, sans avoir à s’occu-per des définitions au niveau de l’implantation de bas niveau. Seuls prérequis : les coefficients de filtrage et les exigences de gain. Le concepteur du matériel y ajoute le taux d’échantillonnage et la vitesse désirés, ainsi que la technolo-gie cible de la conception. A l’outil de générer ensuite le RTL adéquat. Cette méthode s’apparente peu ou prou à la conception à base de modèles, mais avec le grand avantage que les modè-les ont ici moins de paramètres de bas niveau et ne sont pas propres au four-nisseur : toute cible FPGA à fonction-nalités DSP fait l’affaire.

Applications ABBABB a développé ses propres blocs IP 11) FPGA pour la surveillance et la condui-te des réseaux électriques. Exemple : un multiprocesseur ABB type abrite un microcontrôleur (µC) gérant l’affichage, la configuration de l’équipement et les détails de la communication, et un DSP se chargeant de tous les calculs. L’ensemble peut aujourd’hui se combi-ner en un µC-FPGA, les calculs étant

effectués dans un FPGA plutôt qu’un DSP. La nouvelle plate-forme généri-que SAHIB, développée par ABB Corporate Research et la division Technologies d’automation pour servir les activités Energie et Automation du Groupe, en est une bonne illustration.

Les FPGA investissent d’autres domai-nes et produits ABB : Systèmes électroniques de puissance et variateurs moyenne tension ;

Commandes d’onduleur (par ex., modulation, logique de commuta-tion, protection) et communication ;

Commandes de moteur (par ex., modulation, onduleurs DTC 2/3/5 niveaux) ;

Produits moyenne tension pour des fonctions d’acquisition de données analogiques, de sous-échantillonna-ge, de filtrage, de calcul de valeurs efficaces et de protection ;

Produits haute tension pour la commande d’appareillage HT, l’acquisition de don-nées analogiques et le sous-échantillonnage ;

Produits d’acquisition et de protection de données ana-logiques SLIMLINE 5 (FPGA utilisé pour le sous-échan-tillonnage, le filtrage et le calcul de valeurs efficaces) ;

Interface WISA [1] (Wireless Interface to Sensors and Actuators).

Avec la montée en puissance des nouveaux FPGA, les concepteurs ont désormais d’autres choix que les ASIC.

Les FPGA hautes performances, capa-bles de loger des systèmes complets sur une puce de plus d’un million de portes logiques équivalentes ASIC et quelques mégabits de RAM locale, constituent plus que jamais la techno-logie reine des petites et moyennes séries.

Erik Carlson



[email protected]

Franz Zurfluh


Baden-Dättwil (Suisse)

[email protected]

Catherine Körbächer

Revue ABB

Baden-Dättwil (Suisse)

5 Carte ABB embarquant un FPGA, un microprocesseur xScale et une structure de communication, composantes du projet SLIMLINE pour la protection BT.

Notes

Bibliographie

[1] Revues ABB 3/2005 et 4/2005, « Connecter sans brancher »

1) Application-Specific Integrated Circuit : circuit inté-

gré capable d’exécuter les fonctions contenues

dans le cahier des charges d’un client pour une

application donnée (par ex., une puce conçue dans

le seul but d’équiper un téléphone portable).2) Observation empirique, énoncée par Gordon Moore

(cofondateur d’Intel), selon laquelle la densité et la

complexité d’un circuit intégré, à un coût toujours

moindre, doublent environ tous les 18 mois. 3) COordinate Rotation DIgital Computer : algorithme

simple et efficace permettant le calcul de fonctions

hyperboliques et trigonométriques, particulièrement

bien adapté à certains composants électroniques

dépourvus de multiplieur.

4) Système de commande bouclée maintenant un

signal généré dans une relation de phase fixe par

rapport à un signal de référence.5) Dispositif réduisant les décalages d’horloge dans

les circuits numériques.6) Peripheral Component Interconnect : spécification

de bus informatique normalisant le raccordement

de périphériques hautes performances à une carte

mère.7) Unified Modeling Language : langage de spécifica-

tion et de modélisation objet « unifié » du matériel,

en génie logiciel, centré sur l’architecture.8) Standard Delay Format : format IEEE de représenta-

tion et d’interprétation des données temporelles,

utilisé à n’importe quel stade du flot de conception

électronique.9) Structure d’un ordinateur dans laquelle données et

instructions sont stockées dans la même unité de

mémoire, celle-ci et l’unité centrale de traitement

étant clairement dissociées.10) Register Transfer Logic : description d’un circuit

électronique numérique en termes de flot de don-

nées entre registres. La représentation RTL indique

le lieu de stockage de l’information et son chemi-

nement logique dans le circuit en fonctionnement.11) Un IP bien conçu doit comporter un banc de test,

être réutilisable dans plusieurs produits et ouvert

aux évolutions des nouvelles générations de FPGA.


Revue ABB 2/2006

Thema

Les algorithmes de traitement de signal, quelle que soit leur complexité, sont à l’œuvre dans une grande variété de produits ABB à électronique embarquée, des petits détecteurs de mouvement à usage domestique aux applications pointues de commande d’appareillages électriques moyenne et haute tension. Au niveau terrain, le traitement de signal permet d’améliorer la qualité de la mesure et la fonctionnalité du parc d’instruments.

L’algorithme PILD autorisant la détection et le diagnostic d’obturation de tuyaux d’impulsion dans les transmetteurs de pression en est un bon exemple. Ce système d’alerte permet de basculer d’une maintenance préventive à une maintenance prédictive et événementielle, plus économique.

Traitement de signal et systèmes embarquésMettez un DSP dans votre instrumentation de process !Andrea Andenna

75

76 Revue ABB 2/2006

Traitement de signal et systèmes embarqués

Parler de « traitement de signal » évoque d’emblée l’univers audio,

le traitement d’images et les télécoms. Or le portefeuille de produits ABB balaye un spectre d’applications beau-coup plus large, le traitement de signal intervenant dans une multitude de produits ABB, orientés automatisa-tion et énergie : des applications pour beaucoup intégrées à des équipe-ments (commande et instrumentation industrielles) et exécutées sur des plates-formes embarquées.

Les modems CPL (Courants Porteurs en Ligne) sont notamment de grands utilisateurs d’algorithmes DSP (Digital Signal Processing). Ceux-ci excellent dans la modulation-démodulation nu-mérique, le filtrage de signaux numé-riques, le calcul des transformées de Fourier, la conversion du taux d’échantillonnage, l’acquisition de trame, la synchronisation de phase de porteuse et de symbole, l’analyse et l’égalisation du canal, la détection et la correction des erreurs. Si les grands principes du traitement de signal sont banalisés et validés dans la totalité des systèmes de communication mo-dernes, il faut néanmoins beaucoup investir en recherche-développement pour répondre aux exigences crois-santes de la technologie CPL. Aug-menter la puissance de calcul permet-tra la montée en débit de chaque canal de transmission, la bande pas-sante évoluant du tradition-nel 4 kHz au 32 kHz. A ter-me, des systèmes individuels pourraient offrir avec sou-plesse (par configuration) des bandes passantes beau-coup plus élevées, atteignant le MHz. Quitte à ce que des modems CPL « large bande » appliquent d’autres algorith-mes de traitement de signal sophistiqués.

Les unités de commande et de protection des appareilla-ges de connexion et de cou-pure assurent la protection électronique des systèmes électriques supervisés. Leur mission est double : mesurer les valeurs d’intensité et de tension du réseau, numériser et traiter ces signaux, géné-ralement par analyse de

Fourier. Après calcul, les harmoniques des signaux électriques servent de grandeurs d’entrée à la majorité des fonctions de protection : surintensité, surtension, protections différentielle et de distance.

Les instruments analytiques et de pro-cess ABB sont normalement équipés d’une électronique spécialisée dans l’acquisition des signaux de la partie détection de l’équipement : à titre d’exemples, citons le transmetteur de pression qui acquiert un signal du capteur piézorésistif, le débitmètre magnétique et sa lecture de la tension induite par l’émission d’un champ ma-gnétique, la sonde de température et le signal d’un thermocouple. Bref, il est d’usage que cette partie capteur (parfois dénommée « primaire ») délivre à l’électronique (« secondaire ») un ou plusieurs signaux électriques. Reste à les amplifier, à en filtrer la composan-te analogique, à les numériser puis à les traiter par microprocesseur ou DSP. Dans l’instrumentation moderne, le traitement de signal a aussi son im-portance pour modéliser les courbes caractéristiques des capteurs en vue de corriger la mauvaise linéarité de la mesure et ses paramètres externes.

Le traitement de signal à l’épreuve du terrain Les appareils de terrain doivent beau-coup leur intelligence aux rapides

progrès des semi-conducteurs, notam-ment en matière de coût et de consom-mation électrique. Le traitement de signal est l’occasion d’améliorer les propriétés du capteur, malgré la pro-fusion de facteurs externes inélucta-bles (variabilité de la production, hystérésis, dérive, vieillissement, sen-sibilité transverse), systématiquement incriminées dans l’incertitude de me-sure [2]. En outre, les industriels veu-lent aujourd’hui des instruments aux fonctionnalités étendues, ne s’en tenant plus à leur fonction première : sont ainsi très prisés les diagnostics portant sur l’équipement et le procédé avec, en point de mire, une réduction des coûts de maintenance et une plus grande fiabilité globale de l’instrumen-tation. Les acteurs du domaine confir-ment nettement cette tendance, l’argu-ment « diagnostic » étant indissociable du cahier des charges établi pour cette nouvelle génération d’appareils. Jusqu’à présent, la supervision du pro-cédé était habituellement dévolue au contrôle-commande de l’usine, bien mieux pourvu en puissance de calcul. L’amélioration des plates-formes em-barquées permet désormais d’intégrer de complexes algorithmes à l’équipe-ment, plutôt qu’à des PC et autres contrôleurs d’automatisme : la tendan-ce est au déport de l’intelligence vers le terrain (cf. « Traitement de signal embarqué : le PILD »).

Plates-formes embarquées : des freins subsistentQui démentirait les fulgurants progrès des puces à semi-conducteurs (processeurs, mémoires . . .) en performance, encombrement et coût ? Cela vaut pour chaque segment du marché, des ordinateurs per-sonnels aux petites architectures embarquées des sites indus-triels. Pour autant, les plates-formes embarquées utilisées dans les appareils et instru-ments ABB restent confrontées au double défi du prix et de la consommation électrique.

En instrumentation industrielle, le prix est un critère fondamen-tal pour conserver et gagner des parts de marché. Très sou-vent, les produits en compéti-tion se valent en qualité et c’est


1 Capteur de pression différentielle en environnement difficile d’accès

77Revue ABB 2/2006


leur prix qui emporte la décision du client. Toutefois, nous l’avons vu, le prix des semi-conducteurs est à la bais-se et, si l’électronique accapare d’habi-tude une part significative des coûts de production d’un appareil, les coûts de fabrication et des matériaux de l’instru-ment sont parfois bien supérieurs. Par conséquent, sur le plan économique, les architectures embarquées actuelles pour l’instrumentation industrielle sont

à même d’augmenter les capacités de calcul et de mémoire, facilitant ainsi l’ajout d’algorithmes plus évolués et de fonctionnalités intelligentes. Nombreu-ses sont ces architectures à être handi-capées par leur consommation. Un exemple : les appareils alimentés par batteries ont des contraintes d’autono-mie énergétique qui limitent leur consommation . Des équipements fonc-tionnant normalement sur alimentation

auxiliaire (110/220 V) doivent, en cas d’urgence, rester opérationnels lorsque cette source d’énergie leur fait défaut, même en mode dégradé. C’est le cas de multiples commandes de disjoncteurs. La solution ? Une batterie ou une ali-mentation autonome tirée, par exemple, du courant circulant dans l’appareil.

Beaucoup d’instruments sont alimen-tés par la boucle analogique 4–20 mA. Ces appareils « à deux fils » peuvent se contenter de quelques dizaines de mW. La sécurité intrinsèque assurée par leur faible consommation est un atout pour l’instrumentation industriel-le ayant recours à cette technique ; c’est pourquoi ce type d’alimentation garde la faveur des clients. Toujours est-il que la consommation électrique freine depuis quelques années l’amé-lioration de l’électronique et sa mon-tée en puissance ; elle reste probléma-tique pour les appareils à deux fils.

Le traitement de signal est l’occasion d’améliorer les propriétés du capteur, malgré la profusion de facteurs externes inéluc-tables (variabilité de la production, hystérésis, dérive, vieillissement, sensibilité transverse).

Traitement de signal embarqué : le PILDLa fonction de diagnostic d’obturation de tuyaux d’impulsion PILD (Plugged Impulse Line Diagnostics) est un algo-rithme de traitement de signal récem-ment intégré aux transmetteurs de pression différentielle ABB, qui comp-tent parmi les instruments de process les plus utilisés. Ce projet de R&D a révélé à la fois le potentiel du traite-ment de signal pour améliorer les appareils de terrain et les contraintes imposées par leurs architectures embarquées limitées.

Les capteurs de pression différentielle mesurent la différence de pression entre deux points du procédé. Ils peu-vent être placés en des endroits diffi-cilement accessibles à la maintenance 1 . Leur principale fonction consiste à calculer le débit d’une conduite en

2 La détection de bruit dans le signal de pression différentielle de tuyaux d’impulsion bouchés ou non

0.02

0.015

0.01

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0nois

e po

wer

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nal p

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0 50 100 150 200 250 300

Time (s)

a Pas d‘obturation

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Time (s)

b Obturation des deux tuyaux

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Time (s)

c Obturation du tuyau (+)

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wer

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nal p

ower

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Time (s)

d Obturation du tuyau (–)


78 Revue ABB 2/2006


mesurant la chute de pression causée par un élément « primaire » (tube de Venturi ou diaphragme). C’est précisé-ment cette mesure et la connaissance de la géométrie de l’élément sensible qui permettent de calculer le débit.

Ces capteurs sont raccordés au pro-cédé par deux « tuyaux d’impulsion » généralement de petit diamètre (< 1 cm) et de très grande longueur. Or ces conduites finissent par s’encrasser en tout ou partie par accumulation de matériaux solides (sable, par exem-ple), de sédiments, de dépôts ou d’eau gelée.

Des capteurs de pression différentielle capables de diagnostiquer automati-quement une obturation de conduite d’impulsion feront chuter les coûts en allégeant la maintenance préventive.

Contrairement à la plupart des autres dysfonctionnements d’instrument, l’obturation d’une conduite n’a pas d’influence sur le matériel ; elle peut passer inaperçue, sans dégrader la mesure. En bouchant la conduite, la pression se retrouve piégée et décou-plée de l’état réel du procédé. Le sys-tème de contrôle-commande continue à utiliser cette valeur, sans la savoir « figée ». Le seul indice dont dispose l’opérateur pour repérer ce défaut est

le mauvais comportement des boucles de régulation, qui peut aussi s’expli-quer (cas le plus probable) par l’usure d’une vanne. Localiser une conduite obturée et la déboucher sont des opé-rations de maintenance lourdes. De plus, si le fluide du process est réputé propice au colmatage, il faut agir en préventif, ce qui coûte cher. Des cap-teurs de pression différentielle capa-bles de diagnostiquer automatique-ment une obturation de conduite d’impulsion feront donc chuter les coûts en allégeant la maintenance préventive.

L’algorithme PILDLe principe de la détection d’obtura-tion de tuyau d’impulsion se fonde sur les caractéristiques observées des signaux de pression dans le temps. L’écoulement du fluide est affecté par des fluctuations de pression causées par d’autres équipements et machines (pompes . . .) intervenant dans le pro-cédé. Ces variations s’apparentent à du bruit dans le signal de pression différentielle. En temps normal, les tuyaux d’impulsion étant « propres » 2a , ce bruit s’annule en grande partie puisque l’appareil mesure la pression entre deux points normalement dis-tants d’à peine quelques centimètres. Si l’une des conduites se bouche 2c 2d , les fluctuations de pression ne sont plus annulées et le bruit se manifeste dans le signal de pression différentiel-le. Si les deux conduites se bouchent 2b , ce bruit sera presque ramené à 0, le raccordement de pression entre capteur et procédé étant totalement perdu.

Ainsi, dans une phase d’apprentissage, la fonction PILD commence par mesu-rer et enregistrer le niveau sonore du signal de pression différentielle lorsque les tuyaux d’impulsion sont propres. Puis, en cours d’exploitation, il compa-re par statistiques ce bruit aux valeurs mémorisées. Si l’analyse révèle un écart notable entre les valeurs acquises en dynamique et celles enregistrées en amont, une alarme signale l’obturation de l’une ou des deux conduites.

D’une durée configurable, la phase d’apprentissage permet à l’algorithme PILD de se « former » aux conditions nominales du procédé pour pouvoir ensuite identifier les mesures dénon-çant un encrassement des conduites. C’est sur la fiabilité et l’efficacité de cet apprentissage que repose la réus-site de la fonction. Les capteurs de pression différentielle sont soumis à une grande diversité de fluides (liqui-des à haute viscosité, eau, vapeur, gaz . . .) et de contraintes climatiques et atmosphériques (températures comprises entre – 40 °C et 85 °C, pressions absolues atteignant 600 bar). Sans adaptation automatique de l’algorithme à ces conditions variées, le PILD n’aurait plus d’utilité.

Fruit de trois années de développe-ment (2003–2005), le PILD fait aujourd’hui partie intégrante de la nouvelle version de transmetteurs de pression différentielle ABB 264 à interface Foundation Fieldbus.

Andrea Andenna


Baden (Suisse)

[email protected]

Bibliographie

[1] Hengjun Zhu, E. H. Higham, J. E. Amadi-Echendu,

Signal Analysis applied to Detect Blockages in

Pressure and Differential Pressure Measurement

Systems, IEEE Instrumentation and Measurement

Technology Conference, Proceedings Vol. 2

(1994), p. 741–744.

[2] H. Tränkler, O. Kanoun, “Importance of Signal Pro-

cessing in Sensor Systems”, Technisches Messen

71 (2004) 3

[3] A. Andenna, G .Invernizzi, D. Eifel, “Embedded dia-

gnosis to detect plugged impulse lines of a diffe-

rential pressure transmitter”, ITG-/GMA Sensoren

und Messsysteme 2006, Conference Proceedings


79Revue ABB 2/2006

Rédaction

Peter TerwieschGroup R&D and Technology

Adam RoscoeCorporate Communications

Ron PopperGroup Editorial ServicesCorporate Communications

Friedrich PinnekampGroup R&D and Technology

Nils LefflerChief [email protected]

EditionABB Schweiz AGCorporate ResearchABB Review/REVCH-5405 Baden-DättwilSuisse

La Revue ABB paraît quatre fois par an en anglais, français, allemand, espagnol, chi-nois et russe.

La reproduction partielle d’articles est auto-risée sous réserve d’indiquer l’origine.

La reproduction d’articles complets requiert l’autorisation écrite de l’éditeur. La Revue ABB est imprimée sur du papier blanchi sans chlore.

La Revue ABB est proposée gratuitement à tous ceux et celles qui s’intéressent à la technologie et à la stratégie d’ABB. Pour vous abonner, contactez votre correspon-dant ABB ou directement le bureau de la rédaction de la revue.

Editeur © 2006ABB Ltd, Zurich (Suisse)

ImpressionVorarlberger Verlagsanstalt AGAT-6850 Dornbirn (Autriche)

MaquetteDAVILLA Werbeagentur GmbHAT-6900 Bregenz (Autriche)

Traduction françaiseBrigitte Fessard [email protected]

AvertissementLes avis exprimés dans la présente publi-cation n’engagent que leurs auteurs et sont donnés uniquement à titre d’information. Le lecteur ne devra en aucun cas agir sur la base de ces écrits sans consulter un pro-fessionnel. Il est entendu que les auteurs ne fournissent aucun conseil ou point de vue technique ou professionnel sur aucun fait ni sujet spécifique et déclinent toute responsa-bilité sur leur utilisation. Les entreprises du groupe ABB n’apportent aucune caution ou garantie, ni ne prennent aucun engagement, formel ou implicite, concernant le contenu ou l’exactitude des opinions exprimées dans la présente publication.

ISSN: 1013-3127


Dans le numéro 3/2006

Vecteur de l’actualité technologique ABB, notre revue s’efforce de rendre fidèlement compte des activités de recherche-développement du Groupe. Nos colonnes se font régulièrement l’écho des projets, réalisations et applications de notre recherche institutionnelle et de nos principales divisions. Pour autant, la dynamique d’innovation d’ABB ne s’arrête pas à ses métiers traditionnels mais concer-ne aussi plusieurs créneaux d’avenir. Et ce sont précisément ces facettes moins connues de notre volant d’acti-vités qui feront la une du prochain numéro de la Revue ABB.

Certaines de ces avancées technologi-ques ont remarquablement su trans-poser les connaissances et solutions d’une activité du Groupe dans des domaines radicalement différents, qu’ils soient internes ou externes à ses

grandes sphères d’activité. Dans cha-que pays, les équipes de développe-ment ABB mettent leur talent, leur expérience et leur inventivité au ser-vice des clients pour résoudre leurs problématiques avec des offres pro-duits et des solutions originales, voire anticonformistes !

Gageons que ces solutions ingénieu-ses, pensées au départ pour un mar-ché ciblé, élargissent le périmètre d’action de la R&D d’ABB. Les exem-ples qui émailleront notre édition 3/2006 seront autant de pistes de réflexion et d’inspiration pour encou-rager les synergies, susciter l’innova-tion et permettre à un nombre crois-sant d’industriels et de particuliers de tirer profit du vaste capital de connais-sance et d’expérience du groupe ABB.

Ensuring areliable powergrid is where

we really shine.

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