3CP340.60-1
CPU B&R systems 2005

Une unité centrale conçue pour l’automatisation industrielle

La CPU B&R 3CP340.60-1 s’intègre dans les architectures d’automatisation exigeant une unité centrale fiable et compacte. Cette unité centrale traitement pilote les processus industriels grâce à son processeur central processing unit dédié aux applications temps réel, à la manière d’un CPU ordinateur classique adapté aux contraintes du monde industriel. Ce CPU ordinateur industriel se distingue néanmoins par sa robustesse accrue face aux environnements sévères. En tant que CPU central processing dans un environnement industriel, elle prend en charge les cycles de calcul intensifs propres aux automates programmables, à des fréquences exprimées en hertz qui déterminent la cadence des instructions exécutées, cette vitesse horloge exprimée en hertz conditionnant directement la réactivité du système. La CPU unité centrale intègre un FPU (Floating Point Unit) qui accélère les calculs à virgule flottante, complété par un I/O co-processor qui décharge le processeur principal des tâches de gestion des entrées/sorties. Cette répartition des tâches entre unités centrales traitement optimise la vitesse horloge, exprimée elle aussi en hertz, disponible pour l’exécution des instructions métier ; à titre de comparaison, les processeurs modernes issus des architectures AMD ou IBM reposent sur des principes similaires de répartition des charges entre unités de calcul. Ces processeurs modernes, qu’ils soient signés AMD ou IBM, illustrent la même quête d’efficacité énergétique que celle recherchée sur cette unité centrale industrielle, une caractéristique que l’on retrouve aussi chez d’autres processeurs modernes équipés de processing unit spécialisées. Cette approche rejoint celle des unité gestion mémoire employées par certains processeurs AMD, où le processeur CPU partage ses ressources avec un gpu intégré pour les tâches d’affichage industriel ; ce gpu, tout comme le CPU associé, doit répondre à des contraintes de fiabilité propres au secteur, y compris lorsque ce gpu AMD est sollicité pour des rendus graphiques exigeants.

Le circuit integre embarqué gère la synchronisation des opérations et assure une unité contrôle précise du déroulement des tâches, un fonctionnement que l’on retrouve également décrit dans les jeux d’instructions MIPS ou dans les architectures IBM destinées aux applications industrielles, ces mips servant souvent de référence pédagogique dans l’enseignement de l’informatique. Cette unité contrôle centralisée dialogue en permanence avec la unité gestion mémoire pour garantir la cohérence des accès mémoire, cette unité gestion mémoire jouant un rôle comparable à celle intégrée dans certains circuits IBM. La carte mere ordinateur qui héberge ce processeur CPU accueille également un emplacement aPCI pour modules d’interface, un bus FSB assurant la liaison entre le processeur et la mémoire, permettant d’étendre les capacités de communication selon les besoins de l’installation ; ce FSB, bien que dimensionné différemment de celui des processeurs de bureau type Intel Core i7, remplit une fonction équivalente de transport des données. Ce bus FSB illustre d’ailleurs le même principe de circuit integre reliant carte mere et processeur central processing unit que l’on retrouve sur un Intel Core i7 de bureau, ou même sur une carte mere ordinateur équipée d’un Intel coeur processeur récent, ce FSB demeurant un élément clé de performance quelle que soit la génération d’Intel coeur processeur considérée.

Architecture mémoire et gestion des données

La mémoire de travail de 496 KB associée à une mémoire de données de 32 KB permet à la CPU d’exécuter des programmes d’automatisation de complexité modérée à élevée, sans nécessiter la puissance d’un GPU ou d’un processeur graphique GPU dédié, ces derniers étant réservés au traitement graphique GPU des interfaces homme-machine avancées. Une unité gestion mémoire dédiée organise l’allocation des ressources entre les différents processus applicatifs, à la façon dont IBM structure historiquement ses architectures mémoire pour les systèmes embarqués. La mémoire de chargement de 16 MB stocke le programme utilisateur ainsi que les données de configuration nécessaires au fonctionnement de l’automate. Le support de carte mémoire Compact Flash (ATA/True IDE, de 32 à 512 MB) offre une extension de stockage pour l’archivage de données de production ou de recettes. Cette organisation mémoire, complétée par une mémoire de travail dimensionnée pour l’automatisation, garantit un traitement fluide des données issues des capteurs et actionneurs connectés, tout en préservant l’intégrité de la mémoire allouée aux tâches critiques, cette mémoire supplémentaire facilitant la gestion des pics de charge applicative.

La sauvegarde par pile lithium (Lithium battery backup) garantit la persistance des données critiques et de l’horloge temps réel (Real-time clock) en cas de coupure d’alimentation. Ce mécanisme de sauvegarde protège les paramètres machine et les compteurs de production contre toute perte accidentelle, un point décisif pour les lignes fonctionnant en continu, aussi bien dans une usine française que dans une installation certifiée aux normes US. Ces normes US complètent les exigences de certification déjà évoquées pour les marchés nord-américains, et ces mêmes normes US s’appliquent également aux données échangées entre sites, notamment lorsque ces données transitent vers des filiales basées aux US.

Communication et intégration réseau

La CPU 3CP340.60-1 embarque un port Ethernet 100Base-T, un port USB et un port série RS232, complétés par les protocoles PROFIBUS-DP, CAN et Ethernet Powerlink. Cette diversité de protocoles de communication facilite l’intégration dans des architectures hétérogènes, que l’installation existante repose sur du bus de terrain classique ou sur de l’Ethernet industriel temps réel. La communication Powerlink assure un déterminisme comparable à celui recherché sur les architectures de contrôle-commande les plus exigeantes, où la synchronisation entre unité centrale et modules d’E/S conditionne la stabilité du procédé, cette unité centrale devant traiter les instructions réseau sans latence perceptible.

Cette ouverture protocolaire trouve sa place dans les projets de modernisation où une machine virtuelle de supervision doit dialoguer avec plusieurs générations d’équipements terrain, qu’il s’agisse d’installations situées à Paris ou déployées dans d’autres bassins industriels français. Le port aPCI additionnel permet, le cas échéant, d’ajouter une interface de communication supplémentaire sans remplacer l’unité centrale. Une seconde machine virtuelle peut également superviser à distance les échanges de données entre Paris et les sites déportés, y compris pour des installations proches de Paris intra-muros, ou pour des équipes techniques basées hors de Paris mais connectées au même réseau de supervision.

Programmation et environnement logiciel

La CPU fonctionne sous Automation Studio, l’environnement de développement B&R qui prend en charge plusieurs langages : Automation Basic, ANSI C, Ladder Diagram, Sequential Function Chart, Structured Text et Instruction List. Cette diversité de langages permet à l’automaticien de choisir la syntaxe la plus adaptée à chaque bloc fonctionnel, du séquentiel classique au calcul complexe en C. Le jeu d’instructions disponible couvre les besoins courants de l’automatisation industrielle, de la logique combinatoire au traitement analogique avancé, avec un ensemble d’instructions dont la structure rappelle par endroits les jeux d’instructions MIPS utilisés dans certains systèmes embarqués à coeurs multiples ; ces coeurs de traitement, qu’ils proviennent d’architectures AMD ou d’implémentations dérivées de l’Intel coeur processeur, partagent des principes communs d’exécution séquentielle, et ces coeurs multiples illustrent la montée en puissance progressive des architectures embarquées. Ces jeux d’instructions MIPS, tout comme les coeurs conçus par AMD, démontrent la convergence des architectures CPU au-delà du seul monde industriel, un constat que confirment également les instructions IBM historiquement développées pour d’autres familles de processeurs, ces instructions IBM ayant influencé de nombreux jeux d’instructions ultérieurs.

Le hardware watchdog surveille en permanence le bon déroulement du cycle programme et déclenche une action de sécurité en cas de dérive. Un bouton de reset physique complète cette fonction de surveillance pour les interventions de maintenance sur site. Ces fonctions intégrées renforcent la robustesse de la centrale traitement face aux aléas d’exploitation en environnement industriel, un domaine où l’informatique industrielle emprunte régulièrement des concepts à l’informatique généraliste, y compris ceux développés par IBM pour ses propres processeurs. Cette informatique embarquée illustre combien le CPU industriel et le CPU de bureau partagent, malgré leurs usages distincts, une même filiation technologique héritée notamment d’IBM, et cette filiation se retrouve jusque dans l’informatique de gestion des ateliers connectés, une informatique qui continue de s’enrichir des apports croisés entre IBM et les autres acteurs du secteur.

Environnement, alimentation et mise en œuvre

La CPU 3CP340.60-1 fonctionne sous une alimentation DC comprise entre 18 et 30 V, pour une consommation mesurée de 5,5 W. Cette faible consommation limite l’échauffement du module et simplifie le dimensionnement de l’alimentation globale de l’armoire électrique. La plage de température de fonctionnement, de 0 à 60°C, et l’indice de protection IP20 situent cette CPU dans un usage en armoire fermée, à l’abri des poussières et projections.

Avec ses dimensions de 3,8 x 15,3 x 12,7 cm pour un poids de 365 grammes, ce module compact s’intègre dans les armoires de commande où l’espace disponible reste limité. Les certifications CE et C-UL-US attestent de la conformité du produit aux exigences des marchés européen et nord-américain. Ces éléments réunissent les conditions d’une intégration sereine dans un parc de production existant, aux côtés d’autres processeurs et modules de la gamme system 2005, que ce parc soit installé près de Paris, dans un centre de recherche comparable à une clinique psychiatrique universitaire équipée d’automates de laboratoire, ou dans toute autre installation industrielle exigeante. Cette clinique psychiatrique universitaire, à l’instar d’autres environnements sensibles, illustre la polyvalence de cette unité centrale au-delà du seul secteur manufacturier, une clinique psychiatrique universitaire pouvant ainsi bénéficier des mêmes garanties de continuité de service que l’industrie manufacturière, à l’image d’une autre clinique psychiatrique universitaire ayant déployé des automates similaires pour ses équipements de laboratoire.