LES RÉSEAUX INDUSTRIELS

Architecture d ’un ensemble industriel

GénéralitésTypes de réseaux industrielsL'architecture d'un ensemble industriel permet de distinguer trois familles de réseaux suivant leur position dans la hiérarchie.

– Réseaux généralistes : réseaux locaux (Ethernet, Token Ring, etc.) et distants (Internet, X25, Frame Relay, ATM, etc.)

– Les réseaux industriels d'interconnexion, destinés à connecter des installations (ateliers ou cellules de production entre elles et avec les réseaux généralistes). On distingue des réseaux à haut débit (MAP, Factor, etc.) et bas débit (LAC, etc.).

– Les réseaux de terrain, destinés à relier des machines et appareils entre eux (automates, CN, robots, contrôleurs de process, etc.), on distingue trois niveaux dans la hiérarchie, les réseaux d'automates, les réseaux de capteurs, et les bus destinés à interconnecter des composants ou des cartes électroniques.Bus de terrain BUS : conducteur(s) commun(s) à plusieurs circuits permettant l’échange de donnéesRÉSEAU : ensemble de lignes de communication qui desservent une même unité géographiqueTERRAIN :zone limité géographiquement (usine véhicule…)Système de communication numérique entre plusieurs dispositifs, ou entre un dispositif et ses périphériques (mémoire, capteurs, actionneurs…)BUT : remplacement des boucles analogiques Décentralisation du contrôle Interopérabilité Intelligence déporté Diminution des coûts Augmentation de l’efficacité et de la qualité

Avantages Réduction des coûts d’installation Performances accrues Moins de câblage Communications numériques Réduction du temps d’installation Données disponibles partout Moins de matériel nécessaire Accès direct entre deux équipements

Structure distribuée Interopérabilité importante grâce à la Réduction des coûts de maintenance standardisation Complexité moindre Modélisation du réseau : Maintenance plus aisée Topologie physique ↔ vue logique Outils de test dédiés standardisation matérielle et logicielle Flexibilité d’extension

Inconvénients Développer les connaissances -- Compatibilité pas assurée entre fournisseurs – Accès au bus – Topologie du réseau, longueur, débit – Gestion des erreurs -- Investissement en équipement – Support physique Choix entre technologies propriétaires ou standards

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ÉmetteurCapteurAlim. de l’émetteur

Récepteur

Historique Boucle de courant 4-20 mA Boucle analogique Pas complètement normalisée

Normalisation des bus de terrain

1960 boucle analogique 1970 processeur : contrôle centralisé 1980 contrôle distribué, capteurs intelligents 1992 : définition de la couche physique 1994 WorldFIP (World Factory Information Protocol Europe) et ISP(Interoperable System Project, E.-U.) fusionnent : FF (Fieldbus Foundation) 1998 : couches liaison, application : non abouti Apparition de solutions propriétaires devenues standards de fait (Interbus, ASI, Lonworks)

IEC : International Electrotechnic CommissionISA : Instrument Society of AmericaOSI : Open System InterconnectionISO : International Standardization Organization

.

Cohabitation standards de fait et standards internationaux Compatibilité Choix ?

Bus de terrain = bus de communication industriels

Classement selon complexité décroissante• Bus d’usine : réseau local industriel ethernet MAP Manufacturing Automation Protocol) ouTOP

(Technical andOffice Protocol)• Bus de terrain (Fieldbus)• Bus bas niveau (capteur/actionneur)

Bus de terrain– Trame : 10 octets à 256 octets– Temps de réaction : 1 ms à 10 ms– Coopération de tous les nœuds (maître/esclave ou multimaîtres)– Accès au niveau inférieur (capteur/actionneur)Bus capteur/actionneur– Nœuds à intelligence limité ou nulle– Temps de réaction primordial– Nombre de données limité

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ISP

FF ISA IEC

Comité Fieldbus

IEC/ISA SP50

WorldFIP

Profibus - ISP (dissident)

• Couches OSI Système de communication dédié Respect du modèleOSI

Les réseaux d ’automates Concepts

ButLes réseaux d'automates sont destinés à permettre la communication entre des automates programmables qui eux-mêmes pilotent les chaînes de production.Les données en provenance des capteurs et actionneurs doivent pouvoir transiter entre les automates, ainsi que des données de configuration/contrôle et les programmes des automates.

Protocoles, trames et débitsles quantités de données à transmettre sont faibles (trames de quelques octets à 256 octets), le débit est en rapport, il n'y a pas de communication entre réseaux.

StandardsChaque fabricant d'automates utilise un ou plusieurs standards propriétaire, seul MODBUS est utilisé depuis longtemps par de nombreux fabricants, il est petit-à-petit remplacé par des protocoles plus modernes : INTERBUS, PROFIBUS, etc.

• Caractéristiques principales de MODBUS– C ’est le plus ancien des réseaux d'automates non propriétaire, créé initialement par GOULD

devenu APRIL. Il est utilisé par de nombreux fabricants.– Il accepte plusieurs médiums physiques à faible débit : RS232, RS422, RS485 (entre 50 et 19200

Bauds), boucle de courant (4800 Bauds), liaison radio– La transmission au format asynchrone 8 bits.

• Sous-couche LLC– reconnaît deux modes

• mode ASCII• mode RTU (Remote Terminal Unit), ou mode binaire

• Sous-couche MAC– Fonctionnement en maître-esclave avec maître fixe

Principe du protocole MODBUS Le protocole MODBUS (marque déposée par MODICON) est un protocole de dialogue basé sur une structure hiérarchisée entre un maître et plusieurs esclaves. Le protocole MODBUS ne définit que la structure des messages et leur mode d’échange. On peut utiliser n’importe quel support de transmission RS 232, RS 422 ou RS 485, mais la liaison RS 485 est la plus répandue car elle autorise le « multipoints ». Deux types de dialogues sont alors possibles :- le maître parle à un esclave et attend sa réponse,- le maître parle à l'ensemble des esclaves, sans attente de réponse

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Couche hautes 5-7 :Chargées du traitement des données(présentation,cryptage…)

Couche basses 1-4 :Chargées du transport des données (codage, représentation des données…)

Echange maître vers 1 esclave : Le maître interroge un esclave de numéro unique sur le réseau et attend de la part de cet esclave une réponse. Echange Maître vers tous les esclaves : Le maître diffuse un message à tous les esclaves présents sur le réseau, ceux-ci exécutent l’ordre du message sans émettre une réponse.Ces deux types de dialogues imposent les conditions suivantes : - Il ne peut y avoir sur la ligne qu'un seul équipement en train d'émettre. - Aucun esclave ne peut envoyer un message sans une demande préalable du maître. - Le dialogue entre les esclaves est impossible.

• Format de la trame : Le message échangé entre le maître et les esclaves est constitué de la façon suivante :

• La détection de fin de message est réalisée sur un silence de plus de 2 caractères.• Le maître et l'esclave utilisent le même type de message.• Codage de la trame : • Deux types de codage peuvent être utilisés pour communiquer sur un réseau Modbus. Tous les

équipements présents sur le réseau doivent être configurés selon le même type.• Type ASCII : chaque octet composant une trame est codé avec 2 caractères ASCII (2 fois 8 bits).• LRC : C’est la somme en hexadécimal modulo 256 du contenu de la trame hors délimiteurs, complémentée

à 2 et transmise en ASCII.

LRC : C’est la somme en hexadécimal modulo 256 du contenu de la trame hors délimiteurs, complémentée à 2 et transmise en ASCII.Type RTU (Unité terminale distante) : chaque octet composant une trame est codé sur 2 caractères hexadécimaux (2 fois 4 bits).

La taille maximale des données est de 256 octets.- Le mode ASCII permet d’avoir des intervalles de plus d’une seconde entre les différents caractères sans que cela ne génère d’erreurs, alors que le mode RTU permet un débit plus élevé pour une même vitesse de transmission.- L’ensemble des informations contenues dans le message est exprimé en hexadécimal.- Le maître s’adresse à l’esclave dont l’adresse est donnée dans le champ prévu à cet effet. - Le code fonction indique à l’esclave le type d’action à réaliser. Exemple : lecture de registre, code de fonction (03)HEX,écriture dans un registre, code de fonction (10)HEX.

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Exemple : sur l'esclave 8 : lecture de 16 bits d'entrée à partir de l'adresse 100h.

Exemple de communication maître/esclave

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Exemple d’échange entre le maître (TSX 37 Micro) et l’esclave (ATV-28) Trame émise par le maître : 04 03 00 02 00 01 25 CA- Adresse esclave : 04- Code fonction 03 = lecture registre- N° du registre de début de lecture : MSB : 00 et LSB : 02- Nombre de registre de lecture : MSB : 00 et LSB : 01- CRC : 25 CARéponse de l’esclave avec erreur : 04 83 02 01 31- Adresse esclave : 04- Code fonction : lecture avec MSB = 1 : 83- Code erreur (n° registre) : 02- CRC : 01 31Réponse de l’esclave sans erreur : 04 03 02 02 58 B8 DE- Adresse esclave : 04- Code fonction : lecture registre : 03- Nombre d’octets données : 02- Données du registre 0002 : MSB 02 et LSB : 58- CRC : B8 DETrame émise par le maître pour lire des mots du registre 450 au registre 456 : 04 03 01 C2 00 07 5A C8- Adresse esclave : 04- Code fonction 03 = lecture registre- N° du registre de début de lecture : MSB : 01 et LSB : C2 (450)10=(01C2)16- Nombre de registre de lecture : MSB : 00 et LSB : 07- CRC : 5A C8• Principales fonctions MODBUS• MODBUS offre 19 fonctions différentes, elles se caractérisent par un code fonction sur 1 octet (en hexadécimal).

Tous les équipements ne supportent pas tous les codes fonction.

Code Fonction réalisée Paramètres01 Lecture de n bits consécutifs de sortie Adresse 1er bit, nombre de bits02 Lecture de n bits consécutifs d'entrée Adresse 1er bit, nombre de bits03 Lecture de n registres 16 bits cons. Adresse 1er mot, nbre de mots04 Lecture de n cartes d'entrée 16 bits Adresse 1er mot, nbre de mots09 Téléchargement , télé-lecture de Variable

programme et modes de marche0A Demande de compte-rendu de Néant

fonctionnement

COMMUNICATIONS SÉRIE ASYNCHRONE

* Les « liaisons séries » sont des moyens de transport d’informations (communication) entre divers systèmes numériques. * Économie de fils (3 au minimum), transmission sur de longue distance, mais communication moins rapide qu’en parallèle.* Elles sont appelées asynchrones car aucune horloge n’est transportée avec le signal de données.

Liaison Série LogiqueProtocole : Le protocole d'échange asynchrone est défini par l’envoi, pour chaque caractère émis, de :* un bit de START (0 logique), les 7 (code ASCII) à 8 bits de données, poids faible en tête,* éventuellement, un bit de PARITE. Il permet de vérifier que le contenu du « mot » n’a pas changé accidentellement lors de la transmission.

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Système numérique 1

Donnée parallèle 8 bits

Convertisseur parallèle/série série/parallèle

Système numérique 2

Adaptateur de ligne

Donnée parallèle 8

bits

Convertisseur parallèle/série série/parallèle

Adaptateur de ligne

Donnée série logique

Ligne

Donnée série RS232

Parité paire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit paire sur l'ensemble donné + bit de paritéex : soit la donnée 11001011 contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 1, ramenant ainsi le nombre de 1 à 6.Parité impaire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit impaire sur l'ensemble donné + bit de parité.Lorsque le récepteur reçoit un bit de parité différent de celui qu’il a lui-même déterminé, il demande alors de recommencer l’émission.* un, un et demi, ou 2 bits de STOP (1 logique).Signal Logique à Transmettre Lorsque aucun caractère ne circule sur la ligne, celle-ci reste à l’état logique haut (« 1 »).

Ce chronogramme représente l’état logique AVANT la mise en forme par l’adaptation de ligne, c'est-à-dire indépendamment du standard RS232, RS422 ou RS485 ( DMX512).

Interface Série RS232* L'octet à transmettre est envoyé bit par bit (poids faible en premier) par l'émetteur sur la ligne Tx, vers le récepteur (ligne Rx) qui le reconstitue * La communication peut se faire dans les deux sens (duplex), soit émission d'abord, puis réception ensuite (half-duplex), soit émission et réception simultanées (full duplex) Exemple d’une Trame transmise en RS232

Valeur : 65 = 01000001 = $41 Caractère=A (Code ASCII) Parité : paire 2 bits de Stop

Liaison RS485 RS-485 est une liaison série, de type asynchrone, différentielle qui permet un débit élevé (jusqu'à 10 Méga-bits/seconde) sur une distance importante (jusqu'à 1200m). Elle dispose de 2 bornes d'émission polarisées notées Tx(+), Tx(-) ou et de 2 bornes de réception polarisées notées Rx(+), Rx(-) ou .

Exemple d’une liaison multipoints (RS-485) reliant maître et esclaves.Caractéristiques des données transmis :Vitesse de transmission : 9600 ou 19200 bits/secondeTrame : 8 bits sans paritéParité : sans paritéBit de stop : 1 bitMode de communication : half-duplex. (2 fils ou 4 fils)

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