Boundary-Scan/JTAG : Relever les défis de la performance en temps réel et de la redondance de sécurité dans les PCB de contrôle de robots industriels

technology31 octobre 2025 22 min de lecture

Boundary-Scan/JTAGInspection du premier article (FAI)Test par sondes mobilesExamen DFM/DFT/DFAInspection SPI/AOI/Rayons XTraçabilité/MES

Dans le monde précis des systèmes de contrôle des robots industriels, les PCB (cartes de circuits imprimés) sont bien plus que de simples substrats verts portant des composants électroniques. Elles servent de réseau neuronal de l'organisme, de centre névralgique assurant des mouvements précis et des réponses opportunes, et de dernière ligne de défense protégeant la collaboration homme-machine. En tant qu'ingénieur en contrôle avec des années d'expertise approfondie en sécurité fonctionnelle, j'ai été témoin d'arrêts de lignes de production et d'incidents de sécurité encore plus graves causés par des défauts matériels mineurs. Ces expériences m'ont appris une leçon profonde : pour les applications à haute fiabilité et haute sécurité comme les robots industriels, toute complaisance est un raccourci vers le désastre. Par conséquent, nous devons adopter des méthodes de test et de vérification qui vont au-delà des pratiques conventionnelles, et le Boundary-Scan/JTAG (norme IEEE 1149.1) est le scalpel le plus aiguisé de notre boîte à outils. Il plonge dans les « capillaires » du matériel, garantissant que les cartes de circuits imprimés complexes et à haute densité sont irréprochables en termes d'intégrité fonctionnelle et de conformité à la sécurité. Cette technologie n'est pas un test de production ponctuel, mais s'étend sur tout le cycle de vie du produit - de la conception conceptuelle et la validation de prototype à la production de masse et la maintenance sur le terrain - offrant une profondeur de perspicacité et de contrôle inégalée pour atteindre des objectifs de sécurité fonctionnelle rigoureux.

Architecture de Sécurité à Double Canal : Tirer Parti du Boundary-Scan/JTAG pour Améliorer Quantitativement la Couverture Diagnostique et les Tests Périodiques

La pierre angulaire du contrôle de sécurité des robots industriels est la conception de redondance, l'architecture à double canal (ou multicanal) étant le paradigme classique pour atteindre la tolérance aux pannes et le fonctionnement à sécurité intégrée. L'idée centrale est la suivante : deux ou plusieurs canaux de traitement indépendants fonctionnent en parallèle, exécutant les mêmes tâches critiques pour la sécurité tout en se surveillant mutuellement. Si un canal tombe en panne, le système peut détecter l'anomalie par des mécanismes de comparaison et d'arbitrage et passer immédiatement à un état sûr prédéfini (par exemple, couper l'alimentation du moteur). Cependant, ce modèle théoriquement parfait est confronté à des défis importants dans la pratique de l'ingénierie : Comment pouvons-nous garantir que ces deux canaux sont véritablement indépendants physiquement et électriquement ? Comment pouvons-nous vérifier que leur logique de surveillance croisée répond correctement et rapidement aux diverses pannes potentielles ?

Les tests fonctionnels traditionnels "boîte noire" - la mise sous tension du système et l'exécution du logiciel d'application pour observer son comportement - sont presque impuissants ici. Ils pourraient révéler certaines erreurs logiques, mais pour les défauts potentiels au niveau matériel, tels que de minuscules ponts de soudure entre les canaux ou des soudures froides invisibles sous les boîtiers BGA (Ball Grid Array), ils sont inutiles. Ces défauts peuvent ne se manifester que sous des fluctuations spécifiques de température, de vibration ou de tension, devenant des "bombes à retardement" latentes. La technologie Boundary-Scan/JTAG offre une solution de test "boîte blanche" révolutionnaire. En intégrant une "Boundary-Scan Cell" entre chaque broche numérique et la logique centrale des circuits intégrés compatibles JTAG (tels que les microprocesseurs, les FPGA et les CPLD), et en connectant toutes ces cellules en une chaîne de balayage accessible en série, nous obtenons des capacités de contrôle et d'observation sans précédent sur ces broches - sans exécuter aucun code fonctionnel.

En utilisant cette chaîne JTAG, nous pouvons effectuer une série de tests structurés de grande valeur :

Vérification de l'isolation électrique entre les canaux : C'est la première étape de la validation de l'indépendance des conceptions redondantes. Les ingénieurs de test peuvent écrire des vecteurs de test JTAG - par exemple, en forçant une broche de sortie critique (telle qu'une broche pilotant un relais de sécurité) sur le canal A à un niveau haut via la chaîne JTAG, puis en lisant l'état de la broche d'entrée de surveillance correspondante sur le canal B. Idéalement, l'état de la broche du canal B devrait rester inchangé. Si la broche du canal B passe également à un niveau haut, cela indique clairement un court-circuit électrique involontaire entre les deux canaux supposément isolés. Ce test atteint une couverture de 100 % pour tous les modes de défaillance par court-circuit d'E/S numériques, avec une précision et une couverture inégalées par toute autre méthode.
Injection de défauts contrôlée et reproductible : Les normes de sécurité fonctionnelle exigent une validation exhaustive des mécanismes de sécurité, et l'injection de défauts en est une partie essentielle. JTAG rend l'injection de défauts précise et efficace. Nous pouvons simuler diverses défaillances matérielles, telles que :

Défaut de type 'Stuck-at': Forcer une broche d'entrée spécifique sur le canal B à rester à un niveau haut (Stuck-at-1) ou bas (Stuck-at-0) pour simuler un circuit ouvert ou un court-circuit dans la ligne de signal du capteur. Nous observons ensuite si la logique de surveillance sur le canal A peut détecter ce signal statique "déraisonnable" dans le temps spécifié (Intervalle de Temps de Tolérance aux Pannes, FTTI) et déclencher un arrêt de sécurité.
Simulation de Défauts de Synchronisation: Contrôler précisément la synchronisation des transitions d'état des broches via JTAG pour simuler des retards ou des gigue de signal, vérifiant ainsi la tolérance de synchronisation du système et l'efficacité de l'Unité de Surveillance d'Horloge (CMU).

Amélioration Quantitative de la Couverture Diagnostique (DC): Selon les normes de sécurité fonctionnelle telles que IEC 61508 et ISO 13849, la Couverture Diagnostique (DC) est une métrique clé pour évaluer la capacité d'un système de sécurité à détecter ses propres défauts matériels, déterminant directement le Niveau d'Intégrité de Sécurité (SIL) ou le Niveau de Performance (PL) atteignable. La DC est définie comme le rapport entre les "taux de défaillance dangereux et détectables" et les "taux de défaillance dangereux totaux". Les tests JTAG peuvent couvrir de nombreux angles morts des tests fonctionnels traditionnels, tels que :
- Broches de CI inutilisées (sont-elles flottantes ou accidentellement connectées ?).
- Toutes les connexions dans des topologies de bus complexes.
- Interconnexions de broches dans des boîtiers haute densité comme BGA et LGA qui ne peuvent pas être sondées physiquement.
- La logique de balayage de frontière (boundary scan) à l'intérieur du CI lui-même. En combinant les résultats des tests d'interconnexion JTAG avec l'AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité), nous pouvons augmenter significativement la couverture diagnostique du matériel de 70%-80% (DC moyenne) atteignable par des tests fonctionnels à plus de 99% (DC élevée), une condition préalable pour atteindre les niveaux SIL 3 ou PLe.

Le fondement de ce succès réside dans la réalisation d'examens DFM/DFT/DFA (Design for Manufacturability/Testability/Assembly) complets et méticuleux pendant la phase de conception. Assurer la mise en œuvre correcte des chaînes de balayage JTAG dans des conceptions complexes avec une densité de routage extrêmement élevée, telles que les PCB HDI, y compris l'intégrité du chemin du signal, la configuration des résistances de terminaison et la disposition physique de l'interface TAP, est une condition préalable pour libérer leur plein potentiel.

Circuit d'arrêt d'urgence : Vérification de l'intégrité de bout en bout, des joints de soudure physiques aux fonctions logiques

Le circuit d'arrêt d'urgence (E-Stop) est la couche de protection la plus prioritaire dans le système de sécurité d'un robot industriel. Il doit être capable de couper la source de danger (généralement l'alimentation du servomoteur du robot) de la manière la plus directe et la plus fiable en toutes circonstances. Un circuit E-Stop typique se compose d'un arrangement en série ou en parallèle de composants tels que des boutons physiques, des relais ou contacteurs de sécurité, des optocoupleurs et des broches d'entrée/sortie de microcontrôleurs. Son principe de conception fondamental est la « sécurité intrinsèque » (fail-safe), ce qui signifie que toute défaillance d'un seul composant (par exemple, rupture de câble, soudure de contact de relais) devrait entraîner le passage du système à un état sûr.

Les méthodes traditionnelles sont insuffisantes pour vérifier un tel circuit « critique pour la vie ». Les multimètres ne peuvent mesurer que la continuité statique, et les oscilloscopes peuvent observer les formes d'onde des signaux, mais aucun des deux ne peut aborder le problème fondamental - ces joints de soudure cachés sous les boîtiers BGA, inaccessibles à l'œil nu ou aux sondes. Un joint de soudure BGA présentant des défauts de type « tête-dans-l'oreiller » peut apparaître impeccable lors d'une inspection aux rayons X et pourrait même réussir les tests fonctionnels à température ambiante par hasard. Cependant, lors des augmentations de température de fonctionnement ou des vibrations mécaniques, il peut former des circuits ouverts transitoires, entraînant la perte des signaux E-Stop avec des conséquences potentiellement catastrophiques. Boundary-Scan/JTAG comble précisément cette lacune critique. Il déplace le centre d'intérêt des tests de la forme physique vers la connectivité électrique elle-même. Nous pouvons concevoir un programme de test JTAG pour vérifier méticuleusement l'intégrité de toute la chaîne numérique - du signal d'arrêt d'urgence (E-Stop) entrant dans la broche d'entrée du microcontrôleur (MCU), en passant par le traitement logique interne du MCU, jusqu'à la broche de sortie commandant le relais de sécurité.

Le flux de travail opérationnel spécifique est le suivant :

Vérification de la liaison d'entrée : Simulez les actions d'appui et de relâchement du bouton d'arrêt d'urgence sur le banc de test, et surveillez en temps réel les cellules de balayage de frontière (boundary scan) des broches d'entrée correspondantes du MCU via le port JTAG. Confirmez si leur état peut passer correctement du niveau haut au niveau bas et revenir au niveau haut. Cela ne vérifie pas seulement les connexions externes, mais teste également incidemment si les configurations de résistances pull-up/pull-down des broches sont correctes.
Vérification du chemin logique interne : Bien que JTAG ne puisse pas tester directement la logique interne du cœur du circuit, nous pouvons combiner JTAG avec les capacités de débogage du processeur (généralement également accessibles via l'interface JTAG) pour exécuter pas à pas la routine de service d'interruption gérant le signal d'arrêt d'urgence. Observez les changements dans les registres pertinents pour vérifier si l'algorithme de déparasitage (debounce) au niveau logiciel et la logique de filtrage du signal fonctionnent comme prévu.
Vérification de la liaison de sortie : Utilisez JTAG pour forcer la broche de sortie du MCU qui commande le relais de sécurité à basculer entre des états sûrs (par exemple, niveau bas) et non sûrs (niveau haut). Simultanément, surveillez le signal de commande de la bobine du relais de sécurité à l'aide d'instruments externes ou d'une autre chaîne JTAG pour vous assurer que le chemin de la broche du MCU à l'entrée du relais est dégagé.

Ces tests de connectivité de bout en bout approfondis ont une valeur inestimable pendant la phase d'Inspection du Premier Article (FAI). L'objectif de la FAI est de s'assurer que le premier lot de produits répond à l'intention de conception en termes de performances électriques, de placement des composants et de processus de fabrication. Un document FAI incluant des rapports de test JTAG peut fournir une couverture à 100 % pour prouver que toutes les connexions électriques des réseaux numériques sont correctes, établissant ainsi une base de qualité solide pour la production de masse ultérieure.

Bien sûr, JTAG n'est pas une panacée - il doit fonctionner en tandem avec des méthodes d'inspection physique telles que l'inspection SPI/AOI/Rayons X. L'SPI (Solder Paste Inspection) garantit que la « matière première » du brasage est qualifiée, l'AOI (Automated Optical Inspection) vérifie l'« apparence » des composants, les rayons X examinent la morphologie « squelettique » des joints de soudure en interne, et JTAG confirme finalement si le « système nerveux » de l'ensemble du circuit est connecté. Ensemble, ces quatre méthodes construisent un système complet d'assurance qualité allant de la forme physique à la fonctionnalité électrique.

Comparaison des stratégies de test pour les PCB de contrôle de sécurité

Méthode de test	Couverture	Avantages	Limitations
Boundary-Scan/JTAG	Interconnexions entre les CI numériques, broches sous boîtier BGA/haute densité, broches de connecteur	Aucune sonde physique requise, peut tester les défauts ouverts/courts-circuits/ponts, injection de défaut programmable, développement de tests réutilisable	Ne peut pas tester les circuits analogiques, les réseaux d'alimentation ou les paramètres des composants passifs ; nécessite que les CI prennent en charge la norme JTAG
Test à sonde volante

Tous les nœuds de réseau physiquement accessibles (passifs/actifs), peuvent tester les paramètres analogiques Pas besoin de montages coûteux, programmation flexible et rapide, idéal pour les prototypes et la production en petites séries Vitesse de test extrêmement lente, inadapté à la production de masse, ne peut pas tester les nœuds inaccessibles (par exemple, à l'intérieur d'un BGA) Inspection SPI/AOI/Rayons X Qualité des joints de soudure, apparence des composants (erronés/manquants/inversés), morphologie interne des billes de soudure BGA/QFN Détection de défauts physiques de haute précision et à grande vitesse, essentielle pour le contrôle qualité des processus Ne peut pas détecter les défauts fonctionnels électriques (par exemple, les dommages internes aux circuits intégrés, les modèles de composants incorrects)

Watchdog et impulsions de test : Vérification précise des mécanismes de détection de défaillance et temps de réponse rapide aux défauts

Dans les systèmes fonctionnant de manière dynamique, la redondance seule est insuffisante ; des mécanismes de surveillance continue de l'état de santé sont essentiels. Le Watchdog Timer (WDT) et les impulsions de test E/S sont deux des techniques d'auto-test dynamique les plus couramment utilisées.

Watchdog: Le principe de base est que le processeur principal doit périodiquement "nourrir le watchdog" (réinitialiser le temporisateur du watchdog) dans une fenêtre de temps prédéfinie pour indiquer qu'il fonctionne toujours normalement. Si le processeur ne parvient pas à "nourrir le watchdog" à temps en raison de blocages logiciels, de blocages matériels ou d'autres raisons, le temporisateur du watchdog expirera et générera un signal de réinitialisation du système ou déclenchera une sortie de sécurité.
Impulsion de Test: Principalement utilisé pour détecter périodiquement si les canaux de sortie numériques et leurs lignes connectées présentent des défauts de type "bloqué à" (Stuck-at-0 ou Stuck-at-1). Par exemple, une sortie pilotant un actionneur de sécurité devrait normalement rester à l'état haut pendant le fonctionnement. Le système le tirera périodiquement à l'état bas pendant une durée extrêmement brève (quelques microsecondes), puis vérifiera immédiatement via un chemin de relecture indépendant si le niveau de la broche a effectivement chuté. Si le niveau de relecture reste haut, cela indique un court-circuit potentiel à l'alimentation ou un pilote endommagé.

La validation de l'efficacité de ces mécanismes dynamiques, en particulier de leur Temps de Réaction aux Défauts, est essentielle pour respecter les normes de sécurité. Les normes définissent explicitement le temps maximal autorisé entre l'occurrence d'un défaut et l'entrée du système dans un état sûr.

Boundary-Scan/JTAG joue un rôle irremplaçable à la fois comme "arbitre" et comme "chronomètre de haute précision" dans ce processus. Pendant le développement et la validation du système, nous pouvons :

Valider précisément le délai d'expiration du watchdog: En utilisant l'interface de débogage de JTAG, nous pouvons arrêter le cœur du processeur juste avant d'exécuter l'instruction "feed watchdog", simulant ainsi le scénario le plus défavorable de "blocage" du processeur. Simultanément, nous démarrons un minuteur externe de haute précision et surveillons la ligne de signal de réinitialisation générée par le watchdog. Le temps écoulé entre l'arrêt du processeur et l'activation du signal de réinitialisation représente la mesure la plus précise du délai d'expiration du watchdog. Cette méthode élimine tous les délais logiciels, mesurant directement la capacité de réponse du matériel.
Valider la chaîne complète d'impulsions de test: Nous pouvons utiliser JTAG pour initier et vérifier des impulsions de test. Par exemple, JTAG peut forcer une broche de sortie d'un FPGA à générer une impulsion de test, puis, via la même chaîne JTAG, lire l'état d'une broche d'entrée de microcontrôleur qui y est connectée après des centaines de cycles d'horloge. Cela vérifie si l'impulsion de l'ordre de la microseconde a été capturée avec succès, assurant l'intégrité de l'ensemble du chemin physique, de la génération de l'impulsion à la transmission par la piste de circuit imprimé et à la réception du signal. Pour la validation de petits lots ou de prototypes, bien que le test à sonde volante puisse fournir des informations de connectivité électrique entre deux points quelconques de la carte, il s'agit d'un test statique. Contrairement au JTAG, il ne peut pas valider les mécanismes de sécurité dépendants du temps dans le contexte du fonctionnement dynamique du système. Un test à sonde volante peut confirmer que les points A et B sont connectés, mais le JTAG peut vérifier si une impulsion de 1 microseconde émise du point A est correctement reçue au point B dans les 500 nanosecondes. Dans les systèmes temps réel critiques pour la sécurité, cette différence est décisive.

Décomposition de la cible SIL/PL et intégration de la stratégie DFT dans l'architecture matérielle

L'atteinte d'une cible SIL (Safety Integrity Level) ou PL (Performance Level) spécifique est un effort d'ingénierie des systèmes qui suit le processus de développement en V. Il commence par les exigences de sécurité de haut niveau et se décline en mesures d'implémentation et de validation matérielles et logicielles. Le Design for Testability (DFT) joue un rôle de passerelle essentiel dans ce processus - ce n'est plus une réflexion après coup post-conception, mais une activité centrale parallèle à la conception fonctionnelle et de sécurité. Une stratégie DFT bien pensée rationalise la validation ultérieure, les tests de production et les diagnostics sur le terrain tout en fournissant des preuves objectives solides pour la certification de sécurité.

Faire du Boundary-Scan/JTAG la pierre angulaire de la stratégie DFT nécessite une planification méticuleuse pendant les phases de conception schématique et de routage PCB au début du projet :

Conception de la chaîne de balayage (Scan Chain Design) : Déterminez quels circuits intégrés (CI) doivent être inclus dans la chaîne de balayage JTAG. Idéalement, tous les CI numériques critiques à grand nombre de broches devraient être chaînés en série (daisy-chained). Tenez compte de la longueur de la chaîne de balayage, car des chaînes excessivement longues augmentent le temps de test. Pour les cartes complexes, plusieurs chaînes de balayage indépendantes peuvent être conçues et gérées en parallèle par un seul contrôleur JTAG.
Intégrité du signal : Le signal d'horloge JTAG (TCK) est très sensible à la qualité du signal. Lors de la conception du PCB, assurez-vous que les pistes TCK sont aussi courtes que possible,远离噪声源 (loin des sources de bruit), et correctement adaptées en impédance et terminées pour éviter les défaillances de test induites par la réflexion du signal.
Interface physique : Concevez une interface physique standard, facilement connectable (telle que des connecteurs à pas de 2,54 mm ou 1,27 mm) pour le port JTAG TAP, et positionnez-la sur le PCB à un endroit facilement accessible par les bancs de test ou les programmeurs.

Cette série de tâches nécessite une collaboration étroite avec des fabricants de PCB professionnels expérimentés comme HILPCB pendant la phase de revue DFM/DFT/DFA. Leurs ingénieurs peuvent examiner votre conception du point de vue de la fabrication et des tests, en offrant des suggestions d'optimisation telles que l'ajustement des emplacements des points de test pour améliorer l'accessibilité des tests à sonde volante ou l'optimisation des agencements des connecteurs JTAG pour simplifier le processus d'assemblage. Toutes les données de test, qu'elles proviennent de tests structurels JTAG, de contrôles physiques par inspection SPI/AOI/Rayons X ou de tests fonctionnels finaux, doivent être systématiquement enregistrées et gérées. C'est là que la Traçabilité/MES (Manufacturing Execution System) entre en jeu. Chaque PCB quittant l'usine doit avoir un numéro de série unique, et toutes les données de test, les enregistrements de réparation et les informations de lot des composants pendant la production doivent être liés à ce numéro de série et stockés dans une base de données. Cela répond non seulement aux exigences obligatoires pour les certifications de produits de sécurité (par exemple, TÜV, UL), mais permet également une traçabilité complète du cycle de vie du produit. Lorsque des problèmes surviennent sur le terrain, nous pouvons rapidement récupérer les « dossiers de naissance » complets de la carte pour l'analyse des causes profondes ou même rappeler de manière proactive les produits du même lot qui pourraient présenter des risques potentiels. Choisir un fournisseur qui propose des services d'assemblage clé en main complets garantit l'exécution stricte de l'ensemble de la stratégie DFT, de la revue de conception à la traçabilité des données.

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Capacités de test complètes

Combinant l'inspection Boundary-Scan/JTAG, Flying Probe et aux rayons X pour offrir une couverture complète, des joints de soudure physiques à la fonctionnalité électrique, et de la structure statique aux performances dynamiques.

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Contrôle strict des processus

Un système robuste de traçabilité/MES assure la traçabilité à chaque étape, de l'approvisionnement des composants et de l'assemblage SMT aux tests finaux, fournissant une chaîne de données complète pour les certifications de sécurité.

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Support Expert DFM/DFT/DFA

Une intervention précoce pendant la phase de conception fournit des recommandations expertes pour la disposition des PCB et la conception de la chaîne JTAG, garantissant une fabricabilité élevée et une testabilité à 100 % afin de réduire les risques et les coûts à la source.

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Familier avec les normes de sécurité fonctionnelle telles que IEC 61508/ISO 13849, capable de fournir des rapports de test complets et une documentation de processus de production qui répondent aux exigences des organismes de certification.

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Conclusion : JTAG, au-delà des tests, comme pierre angulaire de la sécurité et de la qualité

En examinant le texte complet, le Boundary-Scan/JTAG dans le développement et la fabrication des PCB de contrôle de robots industriels joue un rôle bien au-delà d'une simple « technologie de test ». C'est une méthodologie systématique d'assurance qualité et de sécurité qui s'étend sur l'ensemble du cycle de vie du produit.

Dans la phase de conception, c'est le cœur de la stratégie DFT, nous guidant à construire une architecture matérielle robuste et intrinsèquement vérifiable.
Dans la phase de validation du prototype, il nous aide à vérifier l'indépendance de la redondance à double canal, l'intégrité des circuits d'arrêt d'urgence et les temps de réponse dynamiques des mécanismes de sécurité comme les watchdogs avec une profondeur et une précision sans précédent.
Dans la phase de production, il devient un outil puissant contre les défauts de fabrication cachés (tels que les joints de soudure froids BGA) dans les boîtiers haute densité, travaillant aux côtés de SPI/AOI/Rayons X pour construire un pare-feu de qualité incassable.
Tout au long du cycle de vie du produit, il s'intègre aux systèmes de traçabilité/MES pour créer un "ADN numérique" indélébile pour chaque PCB, fournissant une base de données pour la certification de sécurité, la maintenance sur le terrain et l'amélioration continue.

Au milieu de la vague de l'Industrie 4.0, les robots deviendront plus intelligents, la collaboration homme-robot se renforcera et les exigences de sécurité fonctionnelle atteindront des sommets sans précédent. Surmonter ces défis exige d'intégrer les gènes de la qualité et de la sécurité dès le début de la conception. S'associer à HILPCB - une entreprise dotée d'une expertise technique approfondie, de systèmes de contrôle qualité rigoureux et de capacités de test complètes - pour maximiser le potentiel du Boundary-Scan/JTAG est un choix judicieux pour garantir que vos systèmes de contrôle de sécurité fonctionnent de manière stable, fiable et sûre dans les environnements industriels les plus difficiles. Ce n'est pas seulement une responsabilité envers le produit, mais aussi un respect de la vie.