Eddy B

AJIC

, IUT

Nancy B

raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20061

Réseaux de T

errain:

Concepts, E

tat du Marché, N

ormes,

Principes et F

onctionnement

Ecole de P

rintemps

IUT

Génie E

lectrique & Inform

atique IndustrielleR

éseaux de terrain et Ethernet Industriel

Eddy B

AJIC

IUT

Nancy B

rabois

eddy.bajic@iutnb.uhp-nancy.fr

Eddy B

AJIC

, IUT

Nancy B

raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20062

Som

maire

•E

volution des Autom

atismes

•C

omparatif C

âblage classique / Réseau

•R

éseaux de Terrain et M

odèle OS

I

•P

yramide C

IM et C

lassification des Réseaux de T

errain

•M

archédes R

éseaux de Terrain

•N

ormalisation

•S

tandards de Câblage : T

éléAlim

entation et Sécurité

Intrinsèque

Eddy B

AJIC

, IUT

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raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20063

Pa

rtie O

pé

rative

(Te

rrain

)

E/S

UC

E/S

UC

T

cap

teu

rm

ote

ur

tran

sme

tteu

ra

ction

ne

ur

M

Evolution des S

tructures de Contrôle / C

omm

ande des A

utomatism

esP

rogramm

és

Autom

atismes Indépendants

•G

estion indépendante des UC

•C

ontrôle centralisé(C

oordination par E/S

)

•D

istance de Câblage E

/S

Q

uelques kilomètres

< 1980

Evolution des A

utomatism

es (<1980)

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, IUT

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raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20064

Evolution des S

tructures de Contrôle / C

omm

ande des A

utomatism

esP

rogramm

és

Partie O

pérative (Terrain)

T

capteurm

oteurtransm

etteuractionneur

M

E/S

UC

NETE

/SU

C

NET

Postes de

Contrôle/

Com

mande

•G

estion Coordonnée des U

C

•C

ontrôle Distribué

•D

istance de Câblage E

/S

Q

uelques dizaines de mètres

Autom

atismes en R

éseau1985

R

éseau «d

’Autom

ates»

R

éseau «d

’Atelier

»

Evolution des A

utomatism

es (>1985)

Eddy B

AJIC

, IUT

Nancy B

raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20065

Evolution des S

tructures de Contrôle / C

omm

ande des A

utomatism

esP

rogramm

és

Partie O

pérative (Terrain)

T

capteurm

oteurtransm

etteuractionneur

M

Postes de

Contrôle/

Com

mande

E/S

UC

NETUC

NET

E/S

UC

E/S

Autom

atismes H

iérarchisés

•G

estion Coordonnée des U

C

•C

ontrôle Distribué

•D

istance de Câblage E

/S

quelques m

ètres

1993

R

éseau d'Entrées / S

orties Déportées

Evolution des A

utomatism

es (>1993)

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, IUT

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raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20066

Autom

atismes R

épartis et Distribués en réseau

•G

estion Hiérarchisée de la com

mande

•C

ontrôle Distribué

•Les C

apteurs Actionneurs sont

directement sur le R

éseau

D

istance de Câblage analogique E

/S

0P

artie Opérative (T

errain)

T

capteurm

oteurtransm

etteuractionneur

M

Postes de

Contrôle/

Com

mande

UC

NETUC

NET

UC

E/S

1996

R

éseau de Capteurs A

ctionneurs

Evolution des A

utomatism

es (>1996)

Eddy B

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, IUT

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20067

•R

éduction du câblage

•D

istribution de la comm

ande sur le réseau

•C

onnexion des Capteurs A

ctionneurs au plus près du Réseau

•C

omm

unication numérique / com

munication analogique

Du cablâge A

nalogique au Câblage num

érique

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, IUT

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raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20068

Hétérogénéité des équipem

ents

OU

VE

RT

UR

E / N

ON

PR

OP

RIE

TA

IRE

IN

TE

RO

PE

RA

BILIT

E

IN

TE

RC

HA

NG

EA

BILIT

E

Environnem

ent «dur »

IM

MU

NIT

E aux parasites / C

ON

NE

CT

IQU

E

Rapidité de fonctionnem

ent

TE

MP

S R

EE

L / DE

TE

RM

INIS

ME

Sûreté de fonctionnem

ent

SU

RE

TE

/ RE

DO

ND

AN

CE

Interopérabilité :C

apacité d’un équipement à pouvoir réaliser des actions coordonnées

avec d’autres équipements au m

oyen de comm

unication réseau

Interchangeabilité :C

apacité d’un équipement à pouvoir rem

placer fonctionnellem

ent un autre équipement par sim

ple remplacem

ent physique sans reconfiguration ou adaptations nécessaires.

Non propriétaire :

Qualité d’un réseau à pouvoir accepter des équipem

ents provenantde différentes sources ou constructeurs.

Contraintes des C

omm

unications Industrielles

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, IUT

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 20069

OB

JEC

TIF

S

CO

NT

RA

INT

ES

Contraintes / O

bjectifs des Réseaux de T

errain

1.R

éduire les coûts(E

tude, Câblage, T

est et Mise,en S

ervice)2.

Am

éliorer la maintenance

(Diagnostic, D

épannage, …)

3.F

iabiliserdes Inform

ations4.

Perm

ettre le Tem

ps Réel

5.R

éseau Non P

ropriétaire6.

Interchangeabilité7.

Interopérabilité

1.T

echnicité complexité

2.T

élé-Alim

entationdes C

apteurs et Pré-A

ctionneurs3.

Surcoût

du Capteur R

éseau

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, IUT

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200610

Privilégier une architecture sim

plifiée

à 3 couchesV

II - Couche A

PP

LICA

TIO

N

II - Couche LIA

ISO

N

DE

DO

NN

EE

S

VI - C

ouche PR

ES

EN

TA

TIO

N

V - C

ouche SE

SS

ION

IV - C

ouche TR

AN

SP

OR

T

III - Couche R

ES

EA

U

MA

C

LLC

I - Couche P

HY

SIQ

UE

R

espect des contraintes de Tem

ps Réel :

Rapidité

N

e tenir compte que des contraintes industrielles

Réseau local privatif, E

fficacité

G

estion des couches basses sur semiconducteur

Réseaux de T

errain et Modèle O

SI

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, IUT

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200611

AS

IC : A

pplication Specific Integrated

Circuit

AS

-i

•soit intégré directem

ent dans le capteur ou l' actionneur ( constituant dit «A

sifié» )

•soit dans un m

odule d'E/S

Intégration des Couches B

asses sur AS

IC A

Si

L'intelligence d'AS

-i se trouve regroupée dans un AS

IC gère toutes les fonctions du capteur ou de

l'actionneur afin d'informer le réseau sur l'état de la com

munication, la disponibilité et l'état du capteur.

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, IUT

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200612

Circuit A

²SI™

Circuit A

²SI™

de AM

IS sem

iconductors : composant m

onolithique 28 broches

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200613

AS

IC : A

pplication Specific Integrated

Circuit

AS

IC

Protocole

SR

AM

Flash ou

EP

RO

M

RS

485Interface

16 Bits

MicroC

Dual Port RAM

PR

OF

IBU

SL

’AS

IC doit être interfacé à un m

icroprocesseur pour réaliser les fonctions d’application dem

andées (SP

C3

Siem

ens)

AS

IC P

RO

FIB

US

Vers

Microcontrôleur

Vers B

us RS

485

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200614

L'impact économ

ique principal attendu de l'utilisation de réseaux de terrain se situe, de façon consensuelle, au niveau :

•du câblage

des équipements et des entrées/sorties

•de la rapidité de m

ise en servicede l'installation.

La solution réseau de terrain fait clairem

ent apparaître des économies dans tous les postes, pour une

économie globale de près de 25 %

du coût de l'automatisation.

Com

paratif Câblage C

lassique / Réseau

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200615

Etude réalisée par F

isher-Rosem

ount, publiée dans Mesure A

vril 2001, rapporte une évaluation des coûts d'automatisation pour un grand groupe industriel

chimique. D

eux approches ont été évaluées et comparées :

•l'une correspondant à une solution dite "conventionnelle

" : câblage 4-20 mA

, protocole HA

RT

, E/S

TO

R•

l'autre correspondant à une solution bus de terrainF

iledbus Foundation

FF

-H1 à 31,25 K

Bps

Com

paratif Conventionnelle / R

éseau

Eddy B

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, IUT

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II Réseaux M

ars 200616

Classification des R

éseaux de terrain

•M

ultitudes de Réseaux : S

tandard Nationaux, A

ssociatif, Propriétaire

•A

ppellation réseaux de terrain hasardeuse : réseau d'automates,device

bus, sensor bus, …

•P

yramide C

IM s'écrase de 5 à 3 niveaux

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ps GE

II Réseaux M

ars 200617

La revue

Terrain

a publié

en 1998,

le résultat

d'une enquête

déroulée sur

3 années

de 1996

à 1998,

effectuée auprès

de décideurs industriels du secteur de l'autom

atisme, leur dem

andant quels réseaux de terrain leurs étaient connus.C

ette enquête donne une côte de popularité des réseaux laissant présager d'une utilisation en rapport.

Popularité des R

éseaux de Terrain

Marché

Europé

en de

s E/S

D

éporté

es sur AP

I

010

2030

40

Profibus-D

P

Propriétaire

Interbus

DeviceN

et

CA

NO

pen

Autres

Autres : M

odbus2,1%, A

si 2,1 %, SSI 0,8%,

Ethern

et 0,8%, profibus-F

MS 0,2%, divers 4

,3%

Enquête IM

S R

esearch 2003 :

Revue Industrial netw

orking and Open C

ontrol 02/03

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, IUT

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II Réseaux M

ars 200618

Etat du M

arché des Réseaux de T

errain

Réseau

Nœ

uds Installés

–P

rofibus+

10 Millions

–H

art10 M

illions

–A

Si

10 Millions

–Interbus

S6,5 M

illions–

Device N

et3 M

illions

–C

C Link

3 Millions

–F

ieldBus F

oundation–

CA

NO

pen

–W

orldFIP

–F

ipio/M

odbus+

•P

érennité(N

ormalisation),

•Interopérabilité

(Certification produits),

•P

erformance

(Déterm

inisme, tem

ps réel,

•E

fficacité(R

éponse adaptée aux besoins),

•D

iversitéF

ournisseurs et sources

(Fabricants, O

EM

, Fondeurs silicium

),

•Intégrateurs

(Com

pétence, stabilité)

Développem

ent du marché basé sur

:

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200619

Progression du M

arché "Bus de T

errain"

Perspective P

RO

FIB

US

20 Millions de nœ

uds installés pour 2010

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, IUT

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II Réseaux M

ars 200620

Marché M

ondial des Bus de T

errain

2 1

1

3

2

1

1

3

2

1

1

3

Am

eriqueE

uropeA

sie

PR

OF

IBU

S

1 RS

485

2 IEC

61158-2

3 Hart, 4…

20 mA

DeviceN

et

FF

CC

-Link

Marché m

anufacturier

Marché process

Réseaux

Câblage

Eddy B

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, IUT

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II Réseaux M

ars 200621

Evolution de la P

yramide C

IM

AP

I, P

C,

IHM

Niveau

Cellule

2M

ES

/ ER

P / S

CA

DA

Station de travail,

PC

Niveau

Gestion

3Inform

atique

AP

I, V

ariateurs,B

locs E/S

Niveau

Terrain

1C

ontrôle-Com

mande

HM

I / AP

I

0I/O

et Devices

11

Niveau

Capteurs

Actionneurs

Capteur,V

anne,D

étecteur

Modèle

d’architecture de

comm

unicationdans

une entreprise

(1980), basé

sur P

lusieurs niveaux

fonctionnels hiérarchisés : des fonctions de G

estion de L'entreprise jusqu'aucapteur sur une m

achine de production

Niveaux

Hiérarchiques

en pyramide (C

omputer Integrated M

anufacturing).

Les réseaux de comm

unication seront aussi classifiés selon ces N

iveaux.

Niveau

Terrain

IHM

, AP

I, PC

, V

ariateurs,B

locs E/S

Eddy B

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200622

Une pyram

ide CIM

à 3 Niveaux

Eddy B

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, IUT

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cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200623

Décem

bre 2000, le

groupe de travail du projet IE

C 61158

converge enfin vers un com

promis de norm

esur les réseaux de terrain.

Norm

alisation et Réseaux de T

errain

Digital data com

munications for

measurem

ent andcontrol -

Fieldbus

for use inindustrialcontrolsystem

s-

Part 2:P

hysicallayerspecification and

servicedefinition

Reconnaissance de 10 T

ypes de protocoles.

L'interopérabilité est seulement possible à l'intérieur d'un m

ême

type de protocole

Seule A

vancée significative : Couche P

hysique IEC

61158-2

Eddy B

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200624

Câblage pour les R

éseaux de Terrain

Environnem

ent bruité, Imm

unité aux parasites :

•B

us MultiP

ointsdifférentiel : R

S 485

Télé-A

limentation par le B

us :

•B

us H1 (norm

e IEC

61158-2) appelé M

BP

Manchester B

us Pow

ered

•B

us AS

-i (norme E

N 50-295)

Environnem

ent Explosif :

Limitation courant , barrière à sécurité

intrinsèque

•R

S 485 -

IS

•B

us H1 -

IS

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200625

Norm

e CE

I 61158-2 : répondre aux exigences de sécurité de la comm

unication en zone explosive

FIS

CO

: Fieldbus Intrinsic S

afety CO

ncept

Classification des zones de sécurité explosives

Zone

0 :

Une

atmosphère

dangereuse explosive

est constam

ment ou très souvent présente.

Zone

2 :

Pas

de risque

d'atmosphère

dangereuse explosive dans les conditions norm

ales de travail.

Zone 1 :

Une atm

osphère dangereuse explosive peut être présente dans les conditions norm

ales de travail.

Transm

ission en Sécurité Intrinsèque E

Exi

Hazardous

Area

Non-H

azardousA

rea

RS

485R

S 485-IS

Zone 2

Zone1

Zone 1

Zone 0

Zone 0

999$

Salle de C

ontrôle

Barrière

Sécurité

Intrinsèque

IEC

61158-2

Salle de C

ontrôle

Barrière

Sécurité

Intrinsèque

IEC

61158-2

Terrain

Am

biance E

xplosiveIE

C 61158-2

Terrain

Am

biance E

xplosiveIE

C 61158-2

Terrain

Am

biance E

xplosiveIE

C 61158-2

Eddy B

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200626

Anneau F

ibre Optique

RS

485

H1

H1-E

Ex

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200627

•Liaison m

ulti-points

•S

egment M

axi1200m, P

aire Torsadée

•D

ébit maxi 12 M

Bps

.

•S

ignal tension différentielle

•G

rande imm

unité aux parasites

Em

etteur Différentiel

TX

TX

+

TX

-

Enable

Récepteur D

ifférentiel

RX

RX

+

RX

-

Les signaux différentiels RS

485 sont gérés par des circuits spécialisés dits "Drivers R

S485

»

SN 75176

Caractéristiques :

La Liaison RS

485

+5V

-5V

-0,2V

0 +0,2V

'1'

'0'

Etat Logique

Indéter

miné

Tensio

n Diffé

rentielle T

X+/TX- ou RX+/RX-

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200628

Le Bus R

S 485

390 ΩΩΩ Ω

390 ΩΩΩ Ω

120 ΩΩΩ Ω0 V

+ 5 V

Rp

Rp

Rc

STATION 1

Tx

Rx

STATION 2

Tx

Rx

STATION N

Rc

TX+ / RX+ (DB)

TX-/ RX-(DA)

La longueur peut être étendue par répéteurs

Débits

(KB

ps)

LongueurS

egment

(km)

9,693.75

187.75500

150012000

1,2

10.2

0.4

0.1

19.2

Câblage

Sim

ple

Identique pour chaque station

Relation D

ébit / D

istance

Paire T

orsadée

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200629

Quand un signal circule sur un câble et rencontre une discontinuité en fin de ligne, il se produit une réflexion de signal

. Une

signal réfléchi circule en sens opposé, se superpose et produit une perturbation, un bruit qui provoque une distorsion de la ligne.

Train d

’impulsion de 1 V

P

ériode : 2 m

sD

urée : 0,1 µ

s

120 Ω120Ω

Résistances de charge

Adaptation de F

in de Ligne de transmission

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200630

Le Bus H

1 : IEC

61158-2

•T

erminateur de B

us de type RC

(R=

110 Ω, C

= 1µ

F), nécessité par

la transmission de puissance sur

le bus.

•exploités en am

biances explosives(E

Exi). (exigences des

industries chimiques, pétrochim

iques et pharmaceutiques)

•D

ébit 31,25 KB

ps, Transm

ission synchrone

•transm

ission sur

courant porteur

9 –

32 V

dc.

(Signal num

érique et puissance sur mêm

e câble + O

range / -

Bleu)

IEC

61158-2, Digital data com

munications for

measurem

ent andcontrol -

Fieldbus

for use inindustrialcontrolsystem

s-

Part 2:P

hysicallayerspecification and

servicedefinition

Eddy B

AJIC

, IUT

Nancy B

raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200631

Transm

ission par Variation de C

harge

Chaque nœ

ud réseau tire son alimentation nom

inale du bus (9V M

in) +

un courant de 10m

A "gaspillé" par une charge interne variable 50

Ohm

s.

Quand

le nœ

ud veut

transmettre ‘0’, il tire 10m

A

supplémentaire

par une

charge supplém

entaire de

50 O

hms

(signal de

ligne descend).

Tension

nominale

d' alim

entation du noeud

Quand

un nœ

ud veut

transmettre ‘1’, il coupe les

deux charges

de 10m

A

(signal de ligne remonte).

Signal B

us

Eddy B

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, IUT

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raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200632

Longueur M

axi 1900 m

M

ax 32

nœuds

dépend de

leur consom

mation de courant, du type de

câble, de

l’usage

de répéteur

(+

4 répéteurs m

aximum

)

T

erminateur

(RC

) à chaque extrémité

P

aire torsadée blindéeA

WG

18

Topologie R

éseau H1 : IE

C 61158-2

Topologie classique bus

ou Arborescent

avec boîtier de dérivation

Eddy B

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, IUT

Nancy B

raboisE

cole de Printem

ps GE

II Réseaux M

ars 200633

Etude de C

âblage H1

Validation de dim

ensionnement d'un réseau H

1 par étude de consomm

ation de courant (T

éléalimentation

des Nœ

uds, Résistance câble, …

)

Eddy B

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, IUT

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ps GE

II Réseaux M

ars 200634

Un télégram

me IE

C 61158-2 est encadré par 3 caractères spéciaux :

0,75 à 1 V C

àC

9 V à 32 V Signal du B

us

temps

Préam

buleD

élimiteur début

Délim

iteur finT

élégramm

e

Form

at Tram

e IEC

61158-2

préambule

(AA

H), pour synchroniser l'horloge du récepteur

délimiteur de début

sur 8 bits

délimiteur de fin

sur 8 bits

M

ode Synchrone

Codage M

anchester

D

ébit 31, 25 KB

ps (Tem

ps Bit = 32

µµµ µs)