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7/16/2019 Distributeur de PalettesV1.1

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Je tiens à remercier mon maître de stage Pierre Eeman de m'avoir

accueilli au sein de l'entreprise Lutosa afin d'effectuer mon travail de

fin d'études et pour son engagement malgré son emploi du temps

chargé. Je remercie également toute l'équipe du service projet à

savoir Quentin Magain, Eddy Roos, Steve Anno, Vincent Devilliers,

Dominique Defromont et Erci Joly qui m'ont toujours apporté l'aide

nécessaire à l'accomplissement de mon travail.



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Résumé

Le sujet de travail de fin d’études choisi aborde une installation de

distributeurs de palettes alimentant des palettiseurs au sein de l’entreprisePinguinLuosa (Leuze-en-Hainaut). La volonté d’intégrer cette installation dans unréseau LAN d’entreprise afin d’aboutir à une programmation et une supervision àdistance, mais aussi d’utiliser des cartes de communication intégrant un standardusine (intégrant des automates programmables de type Siemens S7), a impliqué lechoix d’entreprendre l’étude de la migration de la communication de ces distributeursde palettes d’une communication radio vers un protocole Profinet transporté par Wifi. Afin d’aboutir à ces objectifs, le corps de ce travail de fin d’études aborderapremièrement des notions théoriques de réseaux (Ethernet, Profinet, Profibus, MPI, VLAN,…), d’automates programmables, de calculs de portée de signaux Wifi ainsique les infrastructures topologiques possibles pour l’utilisation du Wifi dans une

application industrielle avec les solutions de roaming pouvant exister. En second lieu,un choix de solutions matérielles sera effectué pour tous les composants nécessairesaux nouvelles fonctionnalités de l’installation et intégrant les interfaces réseau déjàreliées (Profibus). Un calcul de portée sera effectué et comparé avec des phases detests. La programmation de cette interface Wifi en Step7 sera aussi détaillée. Pourterminer, la mise en réseau de ce système dans un réseau virtuel sera aussi testée.La finalité de cette étude en conclu que, pour des applications industriellesnécessitant des trajectoires complexes ne pouvant être, pratiquement, quedifficilement réalisables ( pour cause de frottements, croisements de câbles, …), leWifi se trouve être une bonne solution pour échanger certains types de données etun protocole de transport pouvant aussi bien supporter des réseaux de bureaux de

type Ethernet que Profinet.



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Sommaire

1. Introduction ................................................................................................................ 7

a. Contexte et installation ........................................................................................... 7b. Objectifs du travail ............................................................................................... 18

2.Notions théoriques et bref état de l’art ...................................................................... 19

a. Les 7 couches du modèle OSI .............................................................................. 19

b. Equipements et protocoles ................................................................................... 21

c. VLAN ................................................................................................................... 24

d. Portée d’un signal Wifi et infrastructures ............................................................ 28

e. Complément : Solutions propriétaires Siemens au niveau du roaming ............... 37

f. Step 7 .................................................................................................................... 41

3. Mise en œuvre .......................................................................................................... 42

a. Solutions matérielles ............................................................................................ 42

b. Calculs de portée .................................................................................................. 46c. Validation expérimentale (confrontation aux mesures) ....................................... 50

d. Intégration à Step 7 .............................................................................................. 53

e. Intégration dans un VLAN ................................................................................... 60

4. Résultats et discussions ............................................................................................ 62

5. Conclusion ............................................................................................................... 63

6. Références ................................................................................................................ 64

7. Annexes.................................................................................................................... 66

Annexe1 : Processus de l’installation ...................................................................66 Annexe 2 : Intégration, analyse de la communication et du matériel ...............69

Annexe 3 : Analyse globale du programme initial ..............................................75 Annexe 4 : Carte de communication CP343-1 Lean ...........................................81

Annexe 5 :Esquisse d'un dossier de maintenance ...............................................82



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1. Introduction

a. Contexte et installation

L’entreprise

Créée en 1978 sous le nom de « SA Van den Broeke - Lutosa », la marque

Lutosa produit aujourd’hui plus de 340000 tonnes de produits finis et possède un

chiffre d’affaire annuel de 240000000€, se trouvant ainsi le premier transformateur

belge de pommes de terres, 5ème au niveau européen et le 10ème au niveau mondial.

Elle a été rachetée en 2007 par le groupe agroalimentaire belge Pinguin, qui a depuis

pris le nom de « Pinguin Lutosa ».Active depuis 1981 à Leuze-en-Hainaut, l’usine de

Leuze maîtrise toute la chaîne de production : du plant de pomme de terre jusqu’au

produit fini et congelé (l’usine possède ses propres unités de congélation). Depuis

peu, la société a été rachetée par le groupe MCcain.



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De nouveaux investissements sont également en cours sur le site de Leuze. En effet,

une nouvelle ligne de réception, lavage et triage de pommes de terre est en

construction actuellement.

Lutosa possède également une des plus grandes chambres froides automatisées

au monde (à -21 °C). Au total, 11 chambres froides d'une capacité totale de 83000

palettes dont 2 d'entre-elles sont complètement automatisées et disposent de 46578

palettes individuellement accessibles.



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Le service

Situé hiérarchiquement au niveau de la division maintenance et engineering,

l’usine possède son propre département de conception de projets aussi bien au niveau

électrique que pour l’automation. Créé comme support pour la maintenance de l'usine

mais aussi pour la réalisation de nouvelles installations en collaboration ou non avecde la sous-traitance, le service projets est composé d'une équipe de 8 électriciens,

techniciens qualifiés, ingénieurs ainsi que d'un dessinateur pour le site de Leuze-en-

Hainaut. Le service s'implique aussi dans la maintenance et la conception du réseau

informatique industrielle ( le réseau informatique de bureau étant confié au

département informatique).



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Frigos

Expédition

L’installation

Le système à aborder se situe au niveau de la palettisation automatique de

cartons avant que les produits finis et palettisés ne partent vers les zones froides

(stockage des produits dans des frigos) via le « transfert aérien » afin de conserver

ceux-ci pour finir à l’expédition (la zone de chargement des camions de clients étant

reliée aux frigos).

Emballage

Palettisation

automatique



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sur 87 Frotteurs sur courant porteur

La palettisation doit constamment être alimentée en palettes vides. Pour ce

faire, une installation munie de 2 distributeurs de palettes circulant sur un rail

(représenté en bleu) alimenteront un panel de 8 palettiseurs en palettes vides ( P1 à

P4 et P10 à P13) sur une portée d’une trentaine de mètres. L’alimentation de ce

système en palettes vides sera assurée par un chariot élévateur (P6 à P8). Pour plus de

détails concernant le fonctionnement et l’utilisation de l’installation, se référer à processus de l’installation [1].

Description du problème

Pour démarrer, ce système devra recevoir des données des palettiseurs (type de

palette, emplacement du palettiseur,…) afin de les alimenter correctement en palettes

vides pour la palettisation de cartons. Le système habituellement utilisé dans l’usine

pour échanger des données lors du convoyage de palettes par un seul distributeur pour

des trajectoires rectilignes, est un câble posé en guirlande. Le problème particulier de

cette installation réside dans la trajectoire des distributeurs (en « U ») et dans le faitque 2 distributeurs peuvent être présents sur toute la trajectoire de palettisation. Ce

problème a premièrement été solutionné par l’utilisation d’une caténaire pour

l’alimentation des 2 distributeurs ainsi que pour l’échange de données (par courant

porteur et utilisation de frotteurs sur les canaux A et B pour chaque distributeur).



Vue générale de l'installation



Photos d'un distributeur



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Bien qu’au niveau de l’alimentation des distributeurs en courant le système

fonctionna de façon satisfaisante, l’utilisation du courant porteur sur la caténaire pour

la communication fut un échec. En raison de divers problèmes (usure prématurée des

frotteurs, pertes de données, limitation du débit de données, interférences dues à

l’alimentation,…) le moyen d’échange de données a été modifié vers une transmition

par signal radio et se trouve être la technologie utilisée actuellement. En s’attachantplus précisément sur la technologie fonctionnant actuellement, on peut distinguer

plusieurs choses : Une « base » maître se situant dans une armoire reçoit les demandes

des palettiseurs via un réseau câble (Profibus DP voir 2.c) et transmet ensuite ces

informations vers l’un ou l’autre distributeur esclave E1 ou E2 via une topologie MPI

( voir 2.c) transportée par signal radio via un boîtier situé sur chacun des 3 éléments

communiquants. Les automates programmables sont de marque Siemens S7-300 et de

programmation step 7 ( voir notions théoriques) et la taille des données échangées

sera toujours de 28 octets/bytes. Tous les autres détails concernant la topologie réseau

complète du système, du paramétrage des trames de données ainsi que du matériel

(boîtier radio, automates programmables et antennes) se trouvent en Intégration,

analyse de l’échange de données et du matériel [2].



Dataeagle DE2000

Dataeagle DE2000

S7-315-2DP

S7-314S7-314



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Au niveau de l’interface réseau globale de la ligne de production, on peut

observer l’intégration du système au niveau du maître (M110) connecté au réseau

Profibus et gérant les 2 distributeurs (M108 et M109) au niveau du réseau MPI (via

une communication par radiofréquence). L’interface radio est « transparente » car elle

est complètement gérée par les appareils « DataEagle ». Les données devant être

échangées entre automates programmables seront modifiées dans des DB (blocs dedonnées) au niveau de chaque automate pour l’émission et la réception; et reliées à la

communication radio via le paramétrage de l’émetteur/transmetteur radio

« Dataeagle ».

Réalisé au début 1990, ce système n’a pas posé de problèmes majeurs defonctionnement jusqu’à aujourd’hui. Cependant, au niveau d’un éventuel

remplacement des éléments radio en cas de panne, ceux-ci se trouvent être les seuls

appareils de ce type au sein de l’usine, ce qui pose donc un problème de

standardisation au niveau du stockage magasin. De plus, ces dernières années, la

politique réseau du service projet est d’intégrer le maximum de systèmes possible au

sein du réseau LAN de l’usine dans un soucis de supervision, d’un dépannage plus

efficace et de prise à distance d’automates programmables (pour la programmation

notamment). Le remplacement de ce matériel assurera également une plus grande

pérennité pour l'installation.



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b. Objectifs du travail

Le but du travail est donc dans un premier temps, de répertorier le matériel

nécessaire afin d’intégrer l’installation existante dans le réseau LAN de l’entreprise en

utilisant du matériel de communication standard et en conservant l’intégration del’installation au niveau du réseau Profibus DP des palettiseurs. Dans un second

temps, l’objectif sera de tester la solution matérielle proposée avec du matériel

standard présent dans le stock du magasin de l’usine afin de s’assurer du bon

fonctionnement de la solution et d’anticiper toutes les manœuvres de programmation

et de remplacement matériel pour une éventuelle mise en service de la solution.

Pour ce faire, des notions théoriques de réseau ainsi que de programmation

d’automates programmables seront abordées dans un premier temps. Des calculs de

portée de signal ainsi que les infrastructures matérielles possibles au niveau d’une

communication Wifi au sein d’une application industrielle seront aussi abordés (ce

type de communication étant préconisé dès le départ du projet, celui-ci étant déjà un

standard matériel au sein de l’usine). La partie suivante du document comprendra le

travail effectué au niveau des calculs de portée, des théories des antennes, des tests

d’échange de données de communication ainsi que l’intégration des modifications

matérielles et réseau au sein du programme existant.



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2. Notions théoriques et bref état de l’art

a. Les 7 couches du modèle OSI

Le modèle OSI (Open System Interconnections) se subdivise en sept couchesdécrivant le standard d’échange de données au sein d’un réseau informatique. Ce

modèle standard a été défini par l’ISO (International Organisation for

Standardization). Les données devront « traverser » chaque couche du modèle OSI

lors de leur émission afin d’être enrichies à chaque fois d’informations. Elles devront

à la réception, traverser une deuxième fois toutes ces couches afin de supprimer ces

informations.



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Type de données Fonction

7. Application Données Gestion des services réseau

6. Présentation Données Mise en forme des données logicielles

5. Session DonnéesGestion des sessions des différentes applications

utilisées

4. TransportConnexion d'un bout à l'autre du réseau.

Unité de mesure : le segment.

Gère la bonne transmission de la totalité des

informations ( protocoles de transports tels que TCP,

UDP, …)

3. Réseau

Acheminement de paquets de données

qui transiteront à l'intérieur du système

Unité de mesure: le paquet

Déterminera le chemin parcouru par les données du

point de vue adressage réseau ( adresses IP).

2. Liaison

Responsable de l'acheminement de blocs

d'informations sans erreurs.

Unité de mesure : la trame

Adressage des différentes machines par leur adresse

MAC (adresse physique).

1. PhysiqueResponsable du transport de

l'information. Unité de mesure : le bit

Transmission du signal sous sa forme la plus

simple(cuivre, Wifi, fibre optique,...)



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Connecteur D-SUB pour RS 485 Profibus ou MPI

b. Equipements et protocoles

Profibus

Basé sur la couche physique RS 485, ce type de communication série présentdepuis les années 90 s’est imposé comme une norme de communication dans le

domaine industriel pour la communication d’un automate programmable avec divers

périphériques ou capteurs. Même si cette technologie est vouée à disparaître au profit

d’autres bus de terrain (notamment basés sur Ethernet), celle-ci reste belle et bien

présente et est toujours proposée avec de nouvelles technologies de capteurs et

automates programmables sortis récemment. Les principales caractéristiques de

Profibus sont reprises dans le paragraphe ci-dessous inspiré dans sa majeure partie du

site http://www.agilicom.fr/tutorial-PROFIBUS-DP.html.

La communication Profibus sera fiable si l'on respecte quelques principes de base

qui sont: :

Respecter la topologie en bus et éviter les dérivations qui sont interdites si le débit

>1,5Mbits

Architecture en Daisy chain, le câble entre et sort du connecteur PROFIBUS

Architecture comportant des dérivations, à éviter



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• Des terminaisons de ligne présentes à chaque extrémité du segment

• Respecter des longueurs en fonction des vitesses désirées

Débit Longueur max.

< 500 kbit/s 1 200 m

500.0 kbit/s 400 m

1.5 Mbit/s 200 m

>1.5 Mbit/s 100 m

L’accès aux données se fait suivant le principe maître/esclave. Plus d'un seul

maître pourra se retrouver sur le réseau. Un jeton (Token) permet de réguler le trafic

entre les différents participants;

- Il existe 2 catégories de maîtres : Maitre de classe 1 et Maître de classe 2.

• Maitre de classe 1 : il s’agit du contrôleur du procédé, en général un automate

mais cela peut également être un PC. Il échange en permanence les donnéesd’entrée et sortie avec les esclaves selon un cycle prédéterminé

• Maître de classe 2 : il s’agit d’un outil sur PC qui permet les opérations de

configuration et de maintenance des esclaves PROFIBUS. Les échanges de

données ne se font pas de manière régulière mais en fonction des besoins, c’est

une communication acyclique qui ne perturbe pas les échanges cycliques du

maître de classe 1.

Intégration :

Les esclaves ont des caractéristiques, des tailles de données, des capacités de

diagnostics différentes. Pour que le maître puisse établir une communication avecchacun d’eux, il lui faut connaitre toutes ces informations. Ces dernières sont stockées

avec une syntaxe standardisée dans un fichier descriptif que l’on a coutume d’appeler

‘Fichier GSD‘ (General Station Description). Les fichiers GSD sont fournis par le

constructeur (téléchargeable en ligne).

Après les avoir ajoutés à la bibliothèque GSD de l’atelier logiciel utilisé, il est

possible de créer le réseau. Lors de cette étape, on définit non seulement les stations

utilisées, mais également leur configuration et adresse.

MPI

Protocole dérivant du Profibus servant à l’interconnexion d’une console de

programmation avec un automate, de petits réseaux d’interface écran ou tout autre

réseau série ne nécessitant pas de grandes ressources (maître de classe 2). MPI ne

permet, par ailleurs, que peu de distance entre les partenaires réseau. Du point de vue

Physique, il s’agit des mêmes connecteurs que Profibus (RS 485).

Ethernet

Ethernet est le protocole de réseau local à commutation de paquets le plus

utilisé à cette heure. Ethernet est classé dans la couche liaison du modèle OSI, ses

couches physiques (blindage du câble, type de câble utilisé,…) sont subdivisées en

normes et donnent notamment une indication sur le débit disponible (par exemple

Ethernet 100 base T donne un débit de 100 Mbit/s).



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Profinet

Profinet est un standard de communication pour l’automation industrielle qui

utilise Ethernet et qui permet d’intégrer des bus de terrain (tels que Profibus) via des

passerelles mais également d’être relié à des réseaux de bureau de type Ethernet

standard. Profinet est donc une solution d’intégration des réseaux industriels et« anciens bus de terrains » avec les réseaux de bureau. Au niveau de modèle OSI,

Profinet se base sur Fast Ethernet 100 Mbits/s et utilise TCP/IP au niveau de la couche

transport et supporte d’autres protocoles tels que SMTP (envoi d’emails) et FTP

(transfert de fichiers). Pratiquement, Profinet permet notamment d’obtenir de

meilleurs temps de réponse qu’Ethernet afin de satisfaire les besoins d’applications

industrielles.



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c. VLAN

Switch ou concentrateur

Par rapport à un concentrateur (HUB) qui « répète » chaque trame reçue par

un port, à tous les autres le Switch ne diffusera pas de trames systématiquement à

chaque port. Il mettra en relation les seuls postes concernés par un échange de

données. Le commutateur vérifiera également si la communication est libre avant

d’émettre des données.

A chaque fois qu’un Switch reçoit un message, il associera le port par lequel

arrivent les données à l’adresse MAC de l’émetteur de la trame. Après un certain

nombre de trames, le commutateur connaît les ports de rattachement des postes sur le

réseau et les mettra en relation sans devoir répéter le signal reçu à tous ses autres

ports. Une table d’association sera donc créée progressivement dans chaque Switch.

Un Switch permettra donc de garantir la conservation de la bande passante de

son réseau sur tous les éléments connectés à ses ports (en agissant sur la couche 2 du

modèle OSI), contrairement au HUB qui divisera la bande passante de son réseau par

le nombre d’appareils connectés sur ses ports (en agissant simplement et uniquement

sur la couche 1 du modèle OSI). L’actualité des architectures réseau est l’Ethernet

entièrement commuté et donc, la disparition progressive des concentrateurs.

Virtual Area Network

Les LAN (Local Area Network) ou réseau locaux sont des réseaux informatiques qui

s’envoient des trames et sont définis au niveau de la couche liaison du modèle OSI etcorrespondent souvent à un adressage IP spécifique. Les VLAN sont des réseaux

locaux virtuels (Virtual Area Network). L’intérêt d’avoir des réseaux locaux séparés

réside dans la volonté d’améliorer la sécurité du réseau informatique et sa gestion,

d’optimiser la bande passante et de séparer les différents flux de données (séparation

de l’administration, de la gestion d’usine,….). Si, par exemple, un réseau local virtuel

devait être saturé, les autres réseaux locaux virtuels ne seraient en principe pas

affectés.



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le routeur

Le routeur permettra d'interconnecter plusieurs réseaux dans le principe

suivant: Une machine d'un réseau A voulant atteindre l'adresse IP d'une machine

présente dans un réseau B,C ou D envoie sa requête au routeur qui déterminera la

machine à laquelle la requête sera envoyée. Les routeurs possèdent des tables de

routage afin de déterminer du mieux possible le meilleur chemin que devront

parcourir les informations. Le routeur pourra donc exploiter plusieurs classes

d'adresses IP en analysant les entêtes des trames. Il peut également déterminer des

routes passant par d'autres routeurs indirectement connectés au réseau à atteindre. Le

routeur travaille sur la 3ème couche du modèle OSI.



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Il existe 3 catégories de VLAN :

• VLAN par ports (niveau 1) : On définit les ports du commutateur (ou Switch)

qui appartiendront à un VLAN donné. On pourra donc distinguer

physiquement à quel VLAN appartient chaque port du Switch.

• VLAN par adresse MAC (niveau 2) : On définit dans les paramètres du Switch

à quel VLAN appartiendra telle ou telle adresse MAC.

• VLAN par adresse IP (niveau 3) : Définition du VLAN selon les adresses IP.

ROUTEUR



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Format d’une trame étiquetée

Trame d’un VLAN

Sans entrer dans les détails de l’entièreté d’une trame Ethernet, il faut signaler

l’utilisation de VLAN implique l’utilisation d’une entête tag (étiquetée). Au sein d’un

VLAN il existera 3 types de trames :

• Les trames non étiquetées (untagged frame).

• Les trames étiquetées (tagged frame).

• Les trames étiquetées par une priorité (priority tagged frame).

La trame non étiquetées ne contient aucune indication sur leur appartenance ou

non à un VLAN, les trames étiquetées contiendront toutes les informations

nécessaires à leur cheminement au sein d’un réseau VLAN.

Un Vlan est un sous-ensemble d’une topologie active d’un réseau local

commuté. Ce sous-ensemble est identifié par un VID (Vlan Identifier). Un élément

actif d’un réseau est dit « vlan informé » (Vlan-aware) s’il reconnaît les trames

étiquetées. Il est dit « Vlan non-informé » (Vlan-unaware) dans le cas contraire. Un

réseau local virtuel est un réseau où l’existence d’éléments actifs « Vlan informé »

(Vlan-aware) permet la création, la modification et la maintenance de Vlan.



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division de la bande des 2,4GHz

d. Portée d’un signal Wifi et infrastructures

Ondes radio

Les ondes radio dans une définition généraliste représentent les ondes

électromagnétiques dont la fréquence va de 9 KHz à 300 GHz. Le wifi se trouve être

une onde radio. Ses plages de fréquences se situent soit autour des 2,4 GHz (Wifi b, g,

n) ou des 5 GHZ (Wifi a et n). Ces différentes plages de fréquences sont

« découpées » en plusieurs canaux afin d’éviter les parasites entre fréquences et pour

l’établissement d’infrastructures sans fil particulières. La bande des 2,4 GHz est, elle,

divisée en 13 canaux de 22 MHz.

Antennes

Les antennes transforment les courants électriques en ondes

électromagnétiques et vice versa. Chaque antenne aura une certaine plage de

fréquence comme vu précédemment. Les ondes électromagnétiques consistent en un

champ électrique de vecteur Ex et un champ magnétique de vecteur Hy disposés en

angle droit l’un par rapport à l’autre. Le courant est à l'origine du vecteur de champ

magnétique et la tension provoque le vecteur de champ électrique.



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Polarisation de l’antenne

La polarisation spécifie la direction du vecteur d’intensité du champ électrique

dans le rayonnement des ondes électromagnétiques. On pourra donc distinguer une

polarisation linéaire ou circulaire. Pour une polarisation linéaire, les lignes de champ

électrique fonctionneront dans un seul plan. Par contre, si ces lignes de champ

électrique sont dirigées perpendiculairement par rapport à la surface du sol, celles-ci

seront dites verticales. Si elles sont dirigées horizontalement par rapport à la surface

du sol, elles seront horizontales. La polarisation de l’antenne peut aussi être circulaire

si la composante de champ électrique n’est pas fixe mais fonctionne sous forme d’un

cercle (dans un sens horaire ou antihoraire). Nous retiendrons que les antennes WIFI

ont généralement une polarisation verticale.

PolarisationDirection du champélectrique Direction du champ magnétique

Linéaire (verticale) Vertical Horizontal

Linéaire(horizontale) Horizontal Vertical

Circulaire Circulaire autour de l'axe de propagation (horaire ou antihoraire)

Diagrammes

Le rayonnement des antennes peut être directionnel comme non directionnel.

En général, les antennes directionnelles permettront d’atteindre de plus longues

distances que les antennes non directionnelles pour une même puissance donnée.

Un diagramme d’antenne décrit les caractéristiques directionnelles de l’antenne aussibien en émission qu’en réception. Normalement, le diagramme directionnel est établi

en coordonnées polaires. Le gain est représenté à partir du centre de coordonnées et

variera ou non selon sa direction (caractéristique du type d’antenne). Ce diagramme

donnera donc une indication sur le type d’antenne à choisir en fonction de

l’application voulue.

Exemple des diagrammes d’antenne horizontaux et verticaux d’une antenne

non directionnelle et leur combinaison sur 3 axes :



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Nombre d'antennes

Pour la technologie Wifi b et g, une seule antenne pour la réception de

données et une seule autre pour l'émission sont tolérées (technique SISO pour

"Single Input Single Output") . la norme Wifi n, elle, utilise la technologie MIMO (

Multiple Input Multiple Output) qui permet notamment d'améliorer le débit de

transmission (jusqu'à 450 Mbits/s théoriquement), le rapport signal/bruit (grâce à la

diversité de la transmission) ou d'améliorer la couverture radio en utilisant les bandes

des 2,4 GHz ou des 5GHz afin de pouvoir séparer les différents canaux de

transmission des antennes et d'assurer sa compatibilité avec les normes b et g . Un

système MIMO pourra donc par exemple compter jusqu'à 5 antennes d'émission et 5

antennes de réception. Des variantes combinant des systèmes SISO et MIMO peuvent

également être exploitées (voir ci-dessous).



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Access point

L’AP (Access Point) ou point d’accès, permettra de fournir un signal wifi à

tout appareil possédant une carte WIFI (clients) via une authentification par mot de

passe ou non. Le réseau WIFI généré par le point d’accès est appelé SSID (ServiceSet IDentifier) et servira généralement de « pont » pour interconnecter la

communication WIFI à un réseau desservant tout type de service (connexion internet,

administration de postes, …).

Client

Un client pourra se connecter à un Access Point afin de recevoir et d’émettre

des données avec celui-ci. Il possèdera également une puissance d’émission/réception

ainsi qu’un gain d’antenne mais il ne génèrera pas de SSID.

Différentes topologies

Mode infrastructureDans un réseau de type infrastructure, un AP créera un réseau WIFI qui

permettra à plusieurs clients d’entrer en connexion avec lui afin d’échanger des

données. Cette topologie de conception simple conviendra lorsqu’un AP couvrira

toute la zone à utiliser pour un réseau donné.



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Mode ad hoc ou sans infrastructure

Dans un réseau de type ad hoc, chaque client jouera le rôle d'Access point. Un

client communiquera directement avec le client voisin par le seul moyen d'une

communication radio. Pour communiquer avec d'autres clients, les données passeront

d'un client à l'autre. Un même nom de réseau (SSID) sera attribué à chaque client etune clé sera attribuée si nécessaire. L'avantage de ce système réside dans le fait

qu'aucune ligne de transmission principale ne sera nécessaire pour la communication .

Le problème est que, dans ce type de réseau, la portée du réseau entier est limitée par

la portée de chaque entité du réseau ce qui peut poser des problèmes majeurs en cas

d'entités mobiles dans l'installation.



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Roaming

En cas de couverture de signal sur une plus grande distance (La puissance d’un

Access point sera limité à 100mW maximum d’après la législation européenne), les

différents points d’accès peuvent être reliés au réseau LAN câblé et recouvrir des

portées qui vont se chevaucher. L’utilisation de 2 canaux de fréquences identiquesd’un AP à l’autre provoquera des interférences (opposition de 2 signaux

identiques).Pour cette raison, 2 canaux différents seront choisis (au sein de l'usine

Lutosa de Leuze, les canaux 3, 6 et 11 sont utilisés en Wifi b afin de séparer le plus

possible la plage de fréquence disponible). Le temps de transition lors du passage du

client d’un AP à l’autre sera de l’ordre de quelques centaines de millisecondes. La

méthode standard de coordination entre AP (PCF) se trouve suffisante pour des

applications où les postes clients sont fixes (tel un ordinateur portable, par exemple).

Cependant pour des applications industrielles (positionnement, capteurs de fin de

course,…) nécessitant un handover entre AP bien plus court, des solutions

propriétaires ont été développées par des sociétés telles que Siemens Généralement

désignées « fast roaming » ou « rapid roaming ». Ces solutions permettent dediminuer le handover à quelques dizaines de millisecondes et d’optimiser les

fréquences en fonction d’interférences parasites régulières. Pour d’autres applications

devant pallier à ce problème de handover telles que la VOIP, d’autres solutions

propriétaires existent telles que celles développées par CISCO. Des informations

concernant les technologies de roaming développées par Siemens seront abordées

dans le point suivant.



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Calculs d’affaiblissement de ligne d’un canal radio

La puissance d’émission (P)

La puissance d’émission d’un signal s’exprimera en dbm (décibel – milliwatt)qui définit le rapport en décibels entre la puissance mesurée et un milliwatt. Ainsi, 0

dbm équivalent donc à 1 milliwatt, 10 dbm à 10 mW, 20dbm à 100mW,...

Donc : P [mW] = 10 ^ (P [ dbm / 10 ] )

Le gain d’antenne (G)

Le gain d’antenne s’exprime en dBi (décibel isotrope) en prenant pour

référence une antenne isotrope (antenne qui rayonne uniformément dans toutes les

directions), ajouté à la puissance d’émission, ce gain formera la puissance émise

brute.

Le gain donné par un constructeur (dBi) exprime le rapport de puissance émise

(par une antenne) dans une direction donnée sur le maximum de puissance rayonnée

par une antenne de référence à puissance d’alimentation identique. L’antenne isotrope

est prise comme référence (On compare donc à un point émettant dans toutes les

directions Sphère). On parlera de dBi.

Pertes de câble (L)

Les pertes de câble s’additionneront au gain d’antenne et la puissanced’émission pour former la puissance émise effective.

Seuil de réception (S)

C’est le seuil qui déterminera la puissance minimale devant être reçue par le

récepteur pour avoir un certain débit de données. On recherchera donc des cartes avec

des seuils de sensibilité le plus bas possible. Les valeurs des puissances minimales

requises (toujours négatives) pour atteindre un certain débit de données seront

fournies par le constructeur. Dans la pratique et avec le matériel choisi, nous pourrons

constater qu'une atténuation d'un minimum de -65 dbm pourra fournir un débit de 5,5

Mbits/s.



Page - 35 - sur 87

Affaiblissement maximum tolérable

La différence entre la puissance de l'émetteur et la sensibilité du récepteur

donne l'affaiblissement maximum qu'on peut tolérer. Comme il y a 2 points qui sont

à la fois émetteur et récepteur, on réalise ce calcul pour les 2 cas, et on prend le plus

petit des deux. On prend une marge de 10 dB (cela équivaut à un facteur 10), qu'onretranche à l'affaiblissement maximum tolérable, et on obtient l'affaiblissement en

ligne déterminant PL, pour "Pertes en Ligne".

Formule de Friis

Théoriquement, on peut aisément calculer la distance correspondant à un

affaiblissement de ligne en partant de la formule générale de Friis :

−=

d A

π

λ

4log20 [dB]

=

λ

π d A

4log20 [dB]

Où:

A : affaiblissement d'espace libre (dB)

d : distance

λ : longueur d'onde

Sachant que f = c/ λ

Avec c = 3.10^8 m/s pour la vitesse de la lumière et en exprimant d en km et f en

Mhz.

A = 32,4 + 20 log ƒ + 20 log d ¨ [dB]



Page - 36 - sur 87

L'équation peut encore s'écrire en utilisant comme constante la fréquence f = 2400

MHZ (pour le WIFI b et g)

D = 10 exp ((-100+A) / 20)



Page - 37 - sur 87

e. Complément : Solutions propriétaires Siemens auniveau du roaming

Fast roaming

Les standards de l’IEEE pour le WIFI ne suffisant pas pour certaines

applications industrielles au niveau du roaming (un temps de transition de plusieurs

centaines de millisecondes entre points d’accès se trouve être trop long pour des

applications telles que du positionnement), des sociétés telles que Siemens ont

développé leur propre technologie permettant d’obtenir des temps de transition entre

AP plus courts.

Méthode standard : PCF

Le PCF (Point Coordination Function), appelé mode d'accès contrôlé, estfondé sur l'interrogation à tour de rôle des stations, contrôlées par le point d'accès qui

indiquera a chacun des mobiles qui lui sont rattachés quand ils doivent émettre leurs

paquets. Durant la phase où le point d'accès impose l'ordre des transmissions, il n'y a

pas de contention pour l'accès au canal. Une station ne peut émettre que si elle est

autorisée et elle ne peut recevoir que si elle est sélectionnée. Cette méthode est conçue

pour les applications temps réel (vidéo, voix) nécessitant une gestion du délai lors des

transmissions de données. Cette méthode est optionnelle et ne fonctionne qu'en mode

infrastructure. Cependant, avec cette méthode de changement d’AP, l’opération

pourra prendre plusieurs centaines de millisecondes ce qui est insuffisant pour des

applications de positionnement de machines en mouvement par exemple.

Expansion Siemens: IPCF

Pour diminuer le temps de passage d’un AP à un autre (handover), le fast

roaming Siemens comprend une expansion IPCF (« Industrial Point Coordination

Function »). Le handover se limitera de 20 à 30 ms. Il est à noter que les composants

utilisant la technologie IPCF ne seront compatibles qu’entre eux.



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IHOP : Saut de fréquences

IHOP est une optimisation de la fréquence utilisée en fonction de la qualité du

signal perçu par le client à une fréquence ou une autre. Ce type de procédé est

préconisé pour des environnements sujets à de nombreuses fréquences parasitespouvant parfois interrompre un signal (tunnel, exposition à d’autres fréquences

radio,…). Le choix d’utilisation d’une bande de fréquence ou une autre sera déterminé

par l’AP qui créera une « table » optimale de fréquence à utiliser pour obtenir la

meilleure bande passante.

iQOS (Industrial Quality of Service)

Dans un réseau WIFI Standard, les clients se connectent à un point d’accès à la

demande de connexion. Avec iQOS, un point d’accès créera au fur et à mesure une

table de priorité pour certains clients et créera ainsi une priorité cyclique des clients au

point d’accès. Cette méthode permettant de diminuer un temps de connexion seraapplicable dans des applications à mouvement cyclique et prévisible. L’iQOS peut

être défini pour seulement certains clients et donc être désactivée pour d’autres

(paramétrage par adresse MAC).

Exemple d’un non-fonctionnement d’iQOS (pas de données cycliques

détectées):



Page - 39 - sur 87

Fonctionnement d’iQOS (données cycliques détectées) :

La technologie "fast roaming" pourra parfaitement convenir à des types

d'application telle que des convoyeurs comme représenté ci-dessous :



Page - 40 - sur 87

Fast roaming, le “câble-antenne”

Comme son nom l’indique, cette technologie permet de diffuser un signal le long

d’un câble-antenne afin de diffuser de manière optimale un seul signal WIFI comme

si on disposait d’un seul point d’accès couvrant une très grande portée. La portée d’un

câble-antenne peut aller jusqu’à une longueur de 100m et se trouve être une solution

idéale pour la communication avec un convoyeur.



sur 87

f. Step 7

Step 7 est un logiciel de programmation pour automates programmables

Siemens réunissant tout aussi bien la configuration matérielle d’une installation que la

configuration réseau et bien sûr, la programmation de blocs permettant de faire desappels de fonctions au niveau de l’horloge système (OB1). Ces derniers pilotant eux-

mêmes des blocs de fonction agissant sur des variables de la mémoire CPU agissant

elles-mêmes sur des entrées et des sorties de l’automate programmable. La

programmation des divers blocs peut s’effectuer en LIST (liste d’instructions

logiques) et CONTACT (logique de contacts) ou en LOG (interfaces logiques de

blocs programmables). La présentation seule du paramétrage de la configuration

matérielle, la configuration réseau, des différents types de blocs ainsi que leurs

interactions pourrait faire l’objet d’un document entier. La partie programmation Step

7 lors du détail de la mise en œuvre sera détaillée et expliquée pour chaque situation.

Si toutefois plus d’informations sur le sujet s’avèrent nécessaire, l’URL suivante

pourra être utile :

http://cache.automation.siemens.com/dnl/zI/zI2Mzc1AAAA_18652056_HB/S

7prv54_f.pdf



sur 87

3. Mise en œuvre

a. Solutions matérielles

Access point, clients

Le choix de s’orienter vers un matériel standard au niveau de l’échange de

données entre les 2 automates programmables des 2 distributeurs de palettes et

l’automate gérant la communication de ceux-ci avec les palettiseurs impliquera

l’utilisation d’une communication via Wifi étant donné que le transfert de données

entre automates de ce type est déjà présent sur d’autres installations de l’usine et est

maîtrisé par une série de techniciens. Une topologie réseau ainsi que le matériel

adéquat sont à définir. Au niveau topologique, la configuration des lieux (environ une

trentaine de mètres) laisse penser qu’un Access Point pourrait suffire à couvrir la zone

de travail des distributeurs (mode infrastructure). Dans le cas d’une couverture nonsuffisante par un seul Access point, une solution de roaming entre Access Point

devrait être mise sur pied. Pour vérifier cela, des calculs de portée (3.b) ainsi que des

tests avec du matériel de stock (3.c) valideront le choix du matériel nécessaire. Le

matériel de stock usine utilisé est le suivant : Un Access point Scalance W786-1 PRO

de puissance 20 dBm et de seuil de réception -90 dBm à 11mbps (Wifi b). Les clients

choisis (W744-1) possèdent la même puissance et le même seuil de réception. Pour

des raisons de maintenance éventuelle, chaque client ou Access point sera muni d'une

CPLUG (mémoire flash) afin de sauvegarder leur configuration (adresse IP canaux

utilisés,...).

Cartes de communication

L’utilisation du protocole wifi ainsi que la nécessité d’intégrer l’installation au

sein du réseau de l’usine impliquent l’utilisation du protocole Profinet car celui-ci est

basé sur le protocole Ethernet et est prévu pour l’intégration d’une installation à un

réseau Ethernet classique (voir 1.c). Déjà très utilisée au sein de l’usine (ce qui

respecte la philosophie de standardisation) et dotée de 2 ports RJ45, la carte de

communication CP 343-1 Lean est apte à transporter la quantité de données à

échanger entre l’automate programmable situé en armoire et les 2 distributeurs (28

octets). En effet, cette carte de communication peut envoyer jusqu’à 8192 octets en

émission et en réception en établissant une liaison de type ISO ou TCP et jusqu’à

2048 octets en UDP et sera aisément programmable via l’appel de blocs de fonction

Step 7 SEND et RECEIVE (Carte de communication CP343-1 Lean [4] ).Pour établir

ce type de liaison, 1 carte de communication par automate sera nécessaire.



sur 87

Antennes

Au niveau de l’espace à couvrir par l’Access point, le choix des antennes s’est

porté assez vite sur des antennes omnidirectionnelles avec une antenne par client

(émission et réception) et 2 antennes sur l’Access point (une antenne pour l’émission

et une autre pour la réception). Le gain des antennes est de 6 dBi et supporte unefréquence de transmission de 2,4 GHz.

Diagrammes de l'antenne Siemens ANT795-6MN :



sur 87

CPU

Les automates programmables présents (S7-315-2 DP en armoire et S7-314

sur les 2 distributeurs (voir annexe 1)) suffisent à la gestion des entrées et sorties des

appareils ainsi qu’à l’échange de données actuel. Cependant, dans une infrastructure

intégrant le Profinet via WIFI, la présence d’un Access Point implique la gestion de

celui-ci par une CPU « i o Controller » permettant de gérer ses protocoles, sans quoi

cet Access point pourra présenter des défauts dans la gestion de sa communication.

Pour la gestion de la configuration d’un IO Controller (voir 3.c). Une CPU 315-2

PN/DP sera donc placée dans l’armoire gérant les demandes palettiseurs ainsi que la

communication WIFI. En plus d’être un IO Controller, cette CPU offre des services

tels qu’un serveur web et possède 2 ports de communication Profinet. L’avantage de

la présence d’un serveur web au sein de la CPU permettra de s’abstenir d’une licence

Step7 pour visualiser l’état des variables et du réseau (l’interface web pouvant donner

un diagnostic complet du réseau Profinet reliant la CPU). La CPU est également

équipée d’un port Profibus DP permettant de conserver la communication avec lespalettiseurs.

Le matériel étant déterminé à tous les niveaux, la configuration topologique de

l’installation modifiée donnera :



CP 343-1 LEAN

S7 - 314/

CP 343-1

LEAN

W 786-1 PRO

W744-1

S7 - 314/

CP 343-1

LEAN

S7 - 315- 2 PN/DP



sur 87

b. Calculs de portée

La norme Wifi b (débit de 11 Mbits/s, fréquence de 2,4 GHz) sera utilisée car

celle-ci permet une meilleure portée théorique que le Wifi g (débit de 54Mbits/s,

fréquence de 2,4 GHz) et est amplement suffisante pour le débit de données échangé

entre les 2 distributeurs et l’armoire (Blocs de données de 28 octets seulement !). En

référence au point 2.e sur le calcul de portée du Wifi et sur les données des Access

Point et des clients, on peut comparer la portée disponible des 2 normes par le tableau

suivant :

Pour la norme g (54 Mbits/s)

Point 1réf : Scalance W786-1 PRO

Point 2réf : Scalance W784

Unités

P o i n t d ' a c c è s

Px puissance

d'émission

14 14 dBm

25,12 25,12 mW

Sx min - 54Mbps seuil de réception *

-76 -76 dBm

25,12 25,12picoW (10

-12 W)

Sx max - 6Mbps seuil de réception *

-93 -93 dBm

0,50 0,50 picoW (10

-12 W)

C â b l

-L

pertes câble 2,5 2,5 dB

A n t e n

n e

Ggain d'antenne

6 6 dBi

Txi =Pxi+ Li +Gi Tx

puissance émise effective

17,5 17,5 dBm

56,23 56,23 mW

Rxi =Sxi -Li- Gi

Rx minsensibilité effective max

-79,5 -79,5 dBm

11,22 11,22 picoW (10

-12 W)

Rx maxsensibilité effective max

-96,5 -96,5 dBm

0,22 0,22 picoW (10

-12 W)

AL1=-Tx2+Rx1

AL2=-Tx1+Rx2

-AL minaffaiblissement en ligne

max possible 97 97

-AL maxaffaiblissement en ligne

max possible 114,00 114,00

Murs,interférences,…

Marge 17 dB



sur 87

AL=max(AL1;AL2)+marge


déterminant 80


déterminant

97,00

Dist=10(-100+A)/20

Formule de Friis

Distance min 54Mbps

0,095

km

Distance max 6 Mbps

0,676



sur 87

Pour la norme b (11 Mbits/s)

Point 1réf : Scalance W786-1 PRO

Point 2réf : Scalance W784

Unités

P o i n t d ' a c c è

Px puissance

d'émission

14 14 dBm

25,12 25,12 mW

Sx min - 11Mbps

seuil de réception *

-90 -90 dBm

1,00 1,00 picoW (10 -12

W)

Sx max - 1Mbps seuil de réception *

-98 -98 dBm

0,16 0,16 picoW (10

-12 W)

C â b l

-L pertes câble

2,5 2,5 dB

A n t e n

n e

Ggain d'antenne

6 6 dBi

Txi =Pxi+ Li +Gi Tx puissance émise effective

17,5 17,5 dBm

56,23 56,23 mW

Rxi =Sxi -Li- Gi

Rx minsensibilité effective max

-93,5 -93,5 dBm

0,45 0,45 picoW (10

-12 W)

Rx maxsensibilité effective max

-101,5 -101,5 dBm

0,07 0,07 picoW (10

-12 W)

AL1=-Tx2+Rx1

AL2=-Tx1+Rx2


max possible 111 111


max possible 119,00 119,00

Murs,interférences,… Marge 17 dB

L=max(AL1;AL2)+marge


déterminant 94


déterminant 102,00



sur 87

Dist=10(-100+A)/20

Formule de Friis

Distance min 11Mbps

0,479

km

Distance max

1 Mbps 1,202

Seul les pertes d’affaiblissement lors de la propagation des ondes Wifi ont été

calculées. Bien d’autres facteurs jouent également un rôle et se trouvent être

difficilement calculables (telles que la réflexion des ondes, leur propagation à travers

une cloison en béton ou encore les interférences). Dans le milieu industriel, on

préconisera directement une phase de test afin d’évaluer la portée d’un signal dans un

milieu ou l’autre. Le point suivant abordera donc des méthodes logicielles fournies

avec la plupart des Access point et clients ainsi que des solutions simples permettant

d’évaluer la qualité d’un signal Wifi dans un milieu.



sur 87

c. Validation expérimentale (confrontation aux mesures)

La première solution envisagée pour évaluer la portée du point d’accès par

rapport aux clients a été tout simplement d’utiliser l’interface web présente sur un

client qui permet de générer un graphique de la qualité du signal. Ce graphique donnedes informations sur le débit maximum possible (Mbps) ainsi que sur la puissance du

signal (dBm) par intervalle de 200 ms. Le test suivant ayant été réalisé dans les

conditions réelles les plus défavorables (avec le distributeur allant jusqu’à la distance

la plus éloignée possible de l’Access point), on peut constater un débit minimum

amplement suffisant pour l’échange de données (l’appareil radio précédent ne

fournissant un débit maximum que d’ 1 Mbps).

Une autre méthode simple pour évaluer la qualité d’une connexion réseau est

d’effectuer un ping qui permettra d’évaluer le temps de réponse d’une machine ayant

reçu une requête. On pourra notamment paramétrer le nombre d’octets envoyés à cette

machine pour effectuer la requête.



sur 87

La figure précédente nous montre qu’il n’est pas aisé d’exploiter les données

fournies par une requête ping exécutée en invite de commande Windows. Pour pallier

à ce problème, un script batch pourra automatiser cette requête et enregistrer les temps

de réponse dans un fichier texte. Cette méthode permet aussi d’effectuer des requêtes

pendant plusieurs heures et d’en recueillir les données afin de vérifier si aucune

interférence par une machine proche à fonctionnement intermittent ne perturbe lacommunication par WIFI.

Application pour automatiser le test PING : le langage

script Batch (*.bat)

Code :

@ echo off

echo Entrez l'IP que vous voulez scanner

set /p add=

echo Entrez le nombre de byte(s)/octet(s) [max: 6500]

set /p oct=

:toto

@ echo on

ping %add% -l %oct% -n 1 | find /I "bytes=" > results.txt

set /p VAR=<results.txt

echo %VAR% %date% %time% >> log.txtgoto toto

Ce code permettra d’avoir une analyse du temps de réponse d’un client ainsi

que l’heure (HH :MM :SS) à laquelle la requête a été effectuée, ce qui permettra

d’avoir un diagnostic précis du comportement de l’appareil sur un grand temps,

d’isoler le résultat dans un tableur et d’effectuer un graphique du temps de réponse.

Chaque requête sera envoyée avec un nombre d’octets au choix.

Results.txt

Reply from 172.16.1.1: bytes=32 time=6ms TTL=255 di 26/02/2013 17:07:00,33

Log.txt:











sur 87

Ping 28 Octets 10.105.40.90 [Carte CP 343-1 Lean]

0

10

20

30

40

50

60

1 7 1 3

1 9

2 5

3 1

3 7

4 3

4 9

5 5

6 1

6 7

7 3

7 9

8 5

9 1

9 7

1 0 3

1 0 9

1 1 5

1 2 1

1 2 7

1 3 3

1 3 9

1 4 5

1 5 1

1 5 7

1 6 3

1 6 9

1 7 5

1 8 1

1 8 7

1 9 3

1 9 9

2 0 5

2 1 1

2 1 7

t e m p s [ m s ]

On peut constater que les temps de réponse sont plus conséquents lors des

démarrages et arrêts de la machine. Ceci est du aux interférences créées par le

variateur qui agit lors des positionnements de l’appareil. La base de temps des

différentes requêtes n’est pas constante, ceci dit, seul le temps de réponse de la

requête nous intéresse. Chaque coordonnée présente en abscisse représente donc « une

requête » et l’axe des ordonnées représente les temps de réponse en ms.



sur 87

d. Intégration à Step 7

Modifications du programme CPU 315-2DP

Avant de pouvoir commencer à programmer des blocs sous Step 7, il sera

nécessaire de déclarer la configuration matérielle de l’ensemble d’un projet (via

l’interface HW config) ainsi que la configuration (via NETPRO). Le détail de la

configuration matérielle et réseau de l’ensemble de l’installation pouvant s’avérer

fastidieuse, seules les parties traitant essentiellement de la communication seront

abordées.

Dans la partie HW config, il consistera premièrement d’insérer les types

d’appareils correspondant au matériel existant. Ci-dessous, on peut constater la

présence de la CPU 315-2PN/DP reliée à l’Access point via le protocole PN io

permettant de gérer la communication WIFI ainsi que la carte de communication quilui est liée sur le même rack. Un rack correspond aux différents éléments

interconnectés sur un même bus et pouvant interagir entre eux.

Etant suffisant pour l’intégration totale d’autres modules tels que des

entrées/sorties automates, ces bus ne permettent pas le passage d’une communication

Profinet. Il sera nécessaire d’avoir une connexion Profinet entre la CPU et la carte de

communication, le bus ne servant qu’à la reconnaissance de la topologie matérielle au

sein du rack dans ce cas-ci.



sur 87

Au niveau de la configuration réseau de l’ensemble de la configuration dans

NETPRO, la structure de base du réseau s’établira automatiquement en fonction de la

configuration matérielle précédemment effectuée. Pour les phases de test, une CPU

315-2 PN/DP a été utilisée communiquant sur un réseau Profinet par une carte de

communication CP343-1 LEAN via WIFI par un Access point Scalance W786-1 PRO

avec une autre CPU équipée également d’une carte de communication et d’un clientScalance W744-1 tel que choisi précédemment.

La structure de base du réseau étant configurée, il reste à définir le protocole

de communication à utiliser pour échanger les données. Le choix du protocole TCP

permettra un débit de données transportable suffisant et permettra d’assurer aucune

perte de données. Une fois ce protocole défini entre deux éléments, NETPRO fournira

des paramètres de blocs qui seront à insérer lors de la programmation de blocs ( ID et

LADDR).



sur 87

Le port de communication à utiliser pourra aussi être choisi (2000 par défaut).

L’adresse IP des partenaires ont été définis lors de la configuration matérielle.

La procédure à suivre sera identique lors du paramétrage d’autres liaisons de

communication. En l’occurrence, il sera nécessaire d’ajouter une deuxième

communication de ce type lors de l’installation finale (communication de la CPU en

armoire avec chaque distributeur). Maintenant que les paramètres de configuration

matérielle ainsi que de communication ont été établis, la communication peut être

programmée au niveau des blocs de programmation de l’automate.



sur 87

L’annexe 3 nous montre que l’envoi de données (effectué par le FC35) et la

réception de données (effectuée par le FC36) présents n’effectuent que des

instructions BKMOV se contentant de transférer toutes les données de blocs de

données présents dans un bloc de données global (DB8) contenant toutes les données

à envoyer à un distributeur. Ce bloc de données global sera ensuite exploité par

l’appareil radio présent. En clair, les automates n’effectuent aucun transfert dedonnées entre eux, l’appareil radio Dataeagle (annexe 1) s’en chargeant

complètement.

L’ajout du paramétrage de la commutation Profinet dans la structure des blocs

programmes présents ne consistera donc plus qu’à envoyer le DB8. Pour ce faire, une

fonction envoi sera ajoutée dans le programme et appellera un bloc AG_SEND qui est

un bloc préprogrammé à charger dans la structure du programme. Leur interaction

avec une liaison sera paramétrée via ID et LADDR, suivront SEND (le nombre de

bytes à envoyer au sein du DB8). DONE, ERROR et STATUS donneront des

informations au niveau de la bonne transmission des données (bit à 1 ou 0), une non-

communication (bit à 1 ou 0) et une information sur une éventuelle erreur de

communication (mot définissant une erreur dans le catalogue Step 7).

FC35DB8

FC ENVOI



sur 87

La réception s’effectuera de la même manière au niveau du DB de

réception (DB9).

Le test de la bonne transmission des données sera effectué en forçant les

variables des 2 automates en communication lors des conditions les plus défavorables

au niveau de la distance armoire-distributeur (les essais d’échange de données ayant

été effectués dans les conditions réelles de fonctionnement).

DB9FC36

FC RECEPTION



sur 87



e .

W744-1

S7 - 314/

CP 343-1

LEAN

S7 - 314/

CP 343-1

LEAN

S7 - 315- 2 PN/DP

W 786-1 PRO

CP 343-1 LEAN



sur 87

e. Intégration dans un VLAN

La programmation et la prise à distance de l’installation impliquent le passage

de cette liaison dans un VLAN pour des raisons de sécurité, de stabilité et de

maintenance réseau. Le Profinet étant un protocole différent d’Ethernet, une phase de

test du passage de cette liaison s’est avérée nécessaire. Pour ce faire, un Switch de

test dans lequel un VLAN a été configuré a été utilisé. Le VLAN paramétré étant un

VLAN par port, il suffit de paramétrer les ports en « Untagged » pour appartenir à

l’un ou l’autre VLAN et les ports restants en « auto » afin de rester libre de toute

appartenance à un autre réseau virtuel. Dans cet exemple, les ports 1 à 23

appartiennent au VLAN PROFINET et le port 24 appartient au DEFAUTLT_VLAN.

Photo d’un Switch HP :



sur 87

On peut remarquer qu’en saturant le DEFAULT_VLAN en effectuant une

boucle dans celui-ci, le VLAN Profinet ne sature pas mais obtient tout de même des

temps de réponse beaucoup plus conséquents (jusqu’à 600 ms).

0

100

200

300

400

500

600

700

4 1

: 2 2

, 7

4 1

: 2 4

, 2

4 1

: 2 5

, 8



sur 87

4. Résultats et discussions

Les résultats en banc de test, au niveau de l’échange de données via le forçage de

variables s’avèrent satisfaisants, le forçage d’une variable d’émission étant

instantanément transféré sur la variable correspondante en émission. Le forçage de cesvariables via un réseau virtuel (VLAN) s’effectue tout aussi instantanément. Les

essais réalisés en conditions réelles se trouvent tout aussi concluant et ce, malgré un

temps de réponse par requête Ping plus conséquent provoqué par les interférences des

distributeurs.

L’utilisation du Profinet transporté par WIFI pour exécuter des tâches

industrielles nécessitant des configurations complexes (telles que le convoyage dans

ce cas-ci) s’avère donc être un choix judicieux si la bonne configuration du matériel

au niveau des Access point et des clients a été choisie. Premièrement, la configuration

des lieux ainsi que l’espace à couvrir impliqueront l’utilisation de plusieurs Access

point ou non. Dans le cas d’un seul Access point utilisé, le protocole Profinet prévu

pour les applications industrielles se trouve très abouti et le transport par WIFI permet

de fournir un flux de données théorique (11 Mbps en WIFI b, 54 Mbps en WIFI G)

plus que correct. La technologie industrielle s’alignant toujours sur les nouvelles

normes réseau, des solutions matérielles en WIFI n (450 Mbps théoriques) sont déjà

présentes sur le marché afin de satisfaire des flux de données encore plus conséquents.

Pour l’heure, les applications industrielles doivent s’appuyer sur des solutions

de roaming propriétaires telles que celles développées par Siemens, par exemple. En

effet, la norme Wifi 802.11f spécialement conçue pour pallier aux problèmes deroaming fut un échec au niveau de son développement et de son exploitation. Plus

récemment, la sortie de la norme 802.11r promet un handover de 50 ms qui par

rapport aux solutions propriétaires industrielles se trouve beaucoup plus conséquent.



sur 87

5. Conclusion

Bien que les solutions de roaming propriétaire ou non ont été étudiées dans ce

travail, les tests effectués dans des conditions réelles nous démontrent que, dans cecas-ci un seul point d'accès pourra couvrir toute la zone de fonctionnement de

l'installation des distributeurs de palettes et on pourra donc se passer de roaming

(changement de point d'accès). Cependant, l'étude des solutions de roaming pour

l'échange de données par la technologie WIFI m'a captivé vu le panel important

d'installations industrielles pouvant intégrer cette technologie pour des raisons d'ordre

pratique, de simplicité d'installation et d'intégration dans un réseau d'entreprise.

Au niveau du fonctionnement de l'installation de palettiseurs, la solution

préconisée au niveau du matériel et de la technologie choisie pourra aisément remplir

les fonctions déjà présentes sur l'installation tout en bénéficiant d'une intégration de

celle-ci dans le réseau Profinet de l'usine, d'un équipement standardisé aux normes des

stocks et d'une durée de vie améliorée. Tous les aspects théoriques et les tests ayant

été effectués, il restera à prévoir le temps de travail nécessaire à l'installation du

nouveau système ainsi que les procédures de maintenance nécessaire à un éventuel

remplacement de matériel (une esquisse de dossier de maintenance étant déjà présente

en annexe 5).

L'architecture des réseaux informatiques de bureau s'intégrant de plus en plus

dans les réseaux industriels, il devient de plus en plus nécessaire pour le métier

d'ingénieur industriel d'acquérir les connaissances de base en adressage réseau,

normes WIFI ainsi que les particularités d'un réseau informatique de bureau ( divisiondu réseau principal en VLAN) mais aussi des réseaux industriels de terrain ( tels que

Profinet ou encore Profibus) présents dans toute industrie contemporaine.



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6. Références

http://books.google.be/books?id=REbtRWo4vHgC&pg=PT332&lpg=PT332&dq=cal

cul+pertes+b%C3%A2timent+wifi&source=bl&ots=e0L1IfuM0J&sig=YUJR1yQElP

GKwZMov6b8Y1M3ZdE&hl=fr&sa=X&ei=rhcZUe7WDeGm0QWdroCIDA&ved=0CDIQ6AEwAQ

http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&objId=2770

8864&nodeid0=18689160&load=content&lang=en&siteid=cseus&aktprim=0&objact

ion=csview&extranet=standard&viewreg=WW

http://www.tee.ci/elements/Wifi.htm

http://www.commentcamarche.net/contents/wifi/wifimodes.php3

http://www.icriq.com/en/tous-les-articles/-/asset_publisher/5DmB/content/l-usine-

sans-fil/maximized

http://ww2.college-

m.qc.ca/prof/mziolkowski/marfla/cours/mcf05/pages/dBCalc_notice.htm

http://books.google.be/books?id=rISrP9Wn2OUC&pg=PA61&lpg=PA61&dq=calcul

+des+pertes+d'un+signal+radio&source=bl&ots=UmCilhrgV-&sig=-

FtOM01e2GWWhK_oSeKWuzv_MpU&hl=fr&sa=X&ei=igNQUem4LuOq0AXm4o

DgAw&ved=0CGcQ6AEwCQ#v=onepage&q=calcul%20des%20pertes%20d'un%20signal%20radio&f=false

http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&objId=5072

4567&load=treecontent&lang=fr&siteid=cseus&aktprim=0&objaction=csview&extra

net=standard&viewreg=WW

http://fr.wikipedia.org/wiki/Profinet

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ethernet

http://support.automation.siemens.com/WW/view/en/22681042

Catalogues Siemens automation

http://support.f5.com/kb/en-us/products/big-

ip_ltm/manuals/product/bigip9_0sy0s/9_0_xSystemMgmtGuide-08-1.html

http://static.commentcamarche.net/www.commentcamarche.net/pictures/lan-images-

routeur.png



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http://www.agilicom.fr/tutorial-PROFIBUS-DP.html

http://www.commentcamarche.net/



sur 87

7. Annexes

Annexe1 : Processus de l’installation

a. Besoins de l’installationLe système devra alimenter 8 palettiseurs en palettes (de 4 dimensions différentes

possibles) vides en respectant l’ordre des appels des palettiseurs qui, par la suite,

réceptionneront des cartons de diverses tailles afin de les emballer. Ces 8 palettiseurs

seront alimentés par deux chariots (ou distributeurs). Un chariot alimentera 4

palettiseurs. Le débit d’appels des palettiseurs sera d’environ un appel tous les quarts

d’heure.

b. Description générale de l’unité

Les 2 chariots circulent sur un rail (en bleu) et assurent deux fonctionnalités :

• L’évacuation et l’amenée des palettes de la zone de convoyage (approvisionnée par des caristes) en P6, P7 et P8.

• L’alimentation en palettes des huit palettiseurs (P1à P4 et P10 à P13).



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Il est à noter que l’installation pourra fonctionner avec un seul chariot en cas

de panne d’un des deux chariots.

i. Gestion de l’automatisme et vocabulaire

Au sol, une armoire électrique comprenant un automate de type S7-315 2DP a pour

fonction :

• Assurer une communication Profibus DP avec les palettiseurs et MPI avec les

chariots.

• Un terminal permettant de visualiser et piloter le fonctionnement du système.

• La gestion des lignes des 3 lignes de convoyage de palettes vides.

• La gestion de la dépose ou la reprise sur les palettiseurs.

• La gestion des « missions » des chariots.

i. Convoyeur d’alimentation

Chargement

Un cariste charge une pile de palettes sur un des 3 convoyeurs en s’assurant de lacorrespondance entre la pile de palettes et le paramétrage du convoyeur car il existe 4

types de palettes différents. Une fois la pile de palette chargée, l’opérateur valide son

choix dans le terminal (800 normal/spécial ou 1000 normal/spécial).

Ensuite, s’il n’y a pas de présence en C13 et que l’un des chariots n’est pas en prise

sur ce convoyeur, la pile de palettes avance jusqu’en cellule C13. Une fois la pile de

palettes sur C13, un contrôle gabarit sera effectué via C14 et C15.



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Déchargement

L’opérateur peut effectuer un déchargement au niveau du convoyage si une pile de

palette est présente et que le chariot n’est pas en cycle de prise au niveau du

convoyeur. La pile de palettes sera donc évacuée s’il n’y a pas de présence auchargement (cellule C11).

ii. Gestion des demandes des palettiseurs

Un palettiseur peut faire une demande de reprise ou de dépose de palettes en

précisant, à chaque demande le type de palette concerné. Pour chaque demande,

l’automate présent en armoire (au sol) mémorisera 2 missions :

Pour la dépose de palettes :

• Mission 1 : Prise de palette sur un convoyeur.

• Mission 2 : Dépose de palettes sur un palettiseur.

Pour la reprise de palettes :

• Mission 1 : Prise de palette sur un le palettiseur.

• Mission 2 : Dépose de palettes sur un convoyeur.

iii. Mission de distributeurs (ou chariots)

Dès qu’un chariot n’a plus de mission en cours, on lui en enverra une (logique de piled’enregistrement) vers sa CPU (S7-314).

Mission d’un chariot :

Numéro de mission : Compris entre 1 et 99.

Code de mission : Quatre codes existent• Code 1 : Prise de palette.

• Code 2 : Dépose de palette.

• Code 3 : Chariot en position d’attente.

• Code 4 : Initialisation du chariot.Position : Position om la mission est effectuée (P1 à P13).

Type de palette : Format de la palette (800 normal/spécial, 1000 normal/spécial)

Remarque : la mission ne s’exécutera que s’il elle est encore active lors du dépilage

des missions.



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Annexe 2 : Intégration, analyse de la communication et du matériel



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Paramètres radio

Les 4 données à paramétrer dans les boitiers sont les suivantes :

• MPI SA : Adresse MPI du boîtier Dataeagle (identique à celle donnée dans la

configuration des automates).• MPI PA : Adresse du partenaire MPI (adresse de l’automate travaillant avec le

Dataeagle).

• SDB : Numéro du bloc de données de la source (Automate partenaire).

• EDB : Numéro du bloc de données de réception (Partenaire Automate).

Analyse des données

Format des données selon la datasheet Dataeagle (pour programmation

Step 7)

Le bloc de données d’envoi respecte les paramètres suivants :

• Order number : Utilisé pour vérifier le transfert entre appareils.

• 1st slave adress : Adresse MPI du 1er

boîtier esclave.

• Nombre de bytes en réception

• Nombre de bytes en envoi

• Données utiles (maximum 28 bytes)

• Order number : Utilisé pour vérifier le transfert entre appareils.• 2

ndslave adress : Adresse MPI du 2éme boîtier esclave.

• Nombre de bytes en réception

• Nombre de bytes en envoi

• Données utiles (maximum 28 bytes)



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Le bloc de données de réception respecte les paramètres suivants :

Identiques au bloc de données d’envoi. Le paramétrage des trames au niveau des

esclaves seront identiques.

Exemple d’un bloc de données : DB9 (Réception du M110)

D_0 BYTE B#16#0 Compteur de M0108

D_1 BYTE B#16#0 Adresse boitier M0108 (Esclave 1)

D_2 BYTE B#16#0 Nombre d'octets en réception de M0108

D_3 BYTE B#16#0 Nombre d'octets en émission vers M0108

D_4 BYTE B#16#0 Données 1 réception de M0108
















D_20 BYTE B#16#0 Données 17 réception de M0108D_21 BYTE B#16#0 Données 18 réception de M0108



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D_27 BYTE B#16#0 Données 24 réception de M0108D_28 BYTE B#16#0 Compteur de M0109

D_29 BYTE B#16#0 Adresse boitier M0109 (Esclave 2)

D_30 BYTE B#16#0 Nombre d'octets en réception de M0109

D_31 BYTE B#16#0 Nombre d'octets en émission vers M0109



























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ii. Puissance, fréquence et type d’antenne

Temps de communication radio Dataeagle

Temps de transmission

Le temps de transmission d’un mot d’un automate programmable vers un autre ainsi

que son retour est constitué des étapes suivantes :

1. Controller 1 cycle program 2 ms

2. Reading data from controller 1 via the MPI 68 ms

3. Wireless transmission from controller 1 to controller 2 10 ms

4. Writing data to controller 2 via the MPI 81 ms


6. MPI query time period 200 ms

Transmission time in one direction 363ms

7. Controller 2 cycle program 2 ms8. Reading data from controller 2 via the MPI 68 ms

9. Wireless transmission from controller 2 to controller 1 10 ms

10. Writing data to controller 1 via the MPI 81 ms


12. MPI query time period 200 ms

Ce qui porte le total à 726ms

Ce temps pourra varier en fonction de différents facteurs tells que la qualité dusignal radio (dû à la distance) ou à certaines interférences pouvant être

provoquées par des appareils présents dans la zone d’émission/réception dusignal.

Fréquence radio utilisée, débit de données

L’appareil présent fonctionne sur une bande de fréquence située autour des2,4 Ghz avec 58 canaux possibles. Chaque boîtier Dataeagle possède unepuissance de 100 mW (20dBm) et 2 antennes omnidirectionnelles de 140 mmet de gain 2,5 dBi. Le débit de données théorique possible peut atteindre 1MB par seconde.



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iii. Automates programmables

CPU315-2DPLes caractéristiques techniques de l'automate programmable se trouvent à

l'URL suivante :

http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=fr&sit

eid=cseus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=33516848&treeLan

g=fr

CPU314Les caractéristiques techniques de l'automate programmable se trouvent à

l'URL suivante :

http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=fr&sit

eid=cseus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=33516848&treeLang=fr



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Annexe 3 : Analyse globale du programme initial



DB de travail pour la recherche de missions particulières

Réception de données des états des palettiseurs via Profibus

Table de données des demandes de palettes envoyées par les palettiseu

Table de données des demandes antérieures de palettes envoyées par l

Trame de mission envoyée au chariot M108

Gestion des demandes d d’introduction/évacuation de palettes au con

Table des piles de missions à effectuer

Bloc de données pour animation grde vitesse/petite vitesse des chariots

Trame de mission envoyée au chariot M109

Données des convoyeurs, palettiseurs envoyées aux 2 chariots

Données de marche manuelle envoyée vers M108

Données de marche manuelle envoyée vers M109

Position des chariots envoyée aux palettiseurs

Bloc de données pour front sur bit

Gestion des défauts du PILZ

Etat de la communication PROFIBUS

iv.

FC21 (Gestion convB )

FC22 (Gestion convC)

FC26 (Gestion profibus)

FC7 (Init générale)

FC27 (Front_cel_conv)

FC10 (Dem_palette)

DB11(Demande_palette

DB12(Demande_ant_pa

DB13(Convoyeur)

DB15(Pille_mission)

DB16(Anim_PILZ)

DB20(Mission_M108)OB1

FC25 (défauts)

FC70 (rech_défauts)

FC30 (Gestion pilz)

FC20 (Gestion convA)

FC20 (Gestion convA)

FC18 (missionpartM108)

FC19 (missionpartM109)

FC14(scanmissionM108)

FC15(scanmissionM109)

FC17(WAITCR)

FC23(gestioncanton)

FC24(gestionposchariot)

FC31(visuchariotM108)

FC32(visuchariotM109)

DB1(Constantes)

DB2(Temporisations)

DB5(Trav_partic)

DB10(Recep_aletiseur)

DB22(Mission_M109)

DB24(MPI_manut)

DB25(Com_em_108)

DB26(Com_em_109)

DB30(EM_POS_CH)

DB40(FRONT)

DB50(DEFAUTS)

DB51(Etat_Profibus)

CPU 315-

110

DB27(com_reçu_M108)

DB27(com_reçu_M109)

DB9FC36



DB des entrées

DB des s

DB des défauts

DB reprenant les différents états du chariot

DB reprenant les tempos

DB reprenant les positions du chariot

DB reprenant les offset

DB de travail du FC10

DB du FC 16

DB de position de la pince

Données de mission reçues depuis la CPU315

Données convoyeur, palettiseur reçues depuis la CPU 315

Données émises vers la CPU 315

Données reçues par le PILZ (via CPU 315)

DB de travail du FC40

DB de gestion pour le cycle manuel

DB pour les fronts

DB de bits remplaçant une sortie si ceux-ci sont écrits plusieurs fois

DB de constantes

OB1

CPU 314

(M108 ET

M109)

FC3 (Recopie_ent)

FC1 (gest_déf )

FC2 (gest_al)

FC4 (Etat_chariot)

FC5 (Tempos)

FC6(compteur_offset)

FC45(calcul_tous_points_P

)

FC16

(positionnement_ch)

FC19

(positionnement_pinc

e)

FC40

(calc_pass_pv_pince)

FC100 (miss_a_faire)

FC101

(Prise_palettiseur)

FC102

(Prise_convoyeur)

FC103

(Depose_palettiseur)

FC104

(Depose_convoyeur)

FC105 (Attente)

DB1 (Entree)

DB2 (Sortie)

DB3 (Défauts)

DB4 (Etat_ch)

DB5 (Tempo)

DB6 (tab_pos)

DB7

(Compt_offset)

DB10 (FC_10)

DB16 (FC_16)

DB19 (POS_pin)

DB20 (Miss_recu_315)

DB22 (Donn_recu_315)

DB23 (Donn_emis_315)

DB25 (Donn_recu_pilz)

DB40 (FC_40)

DB41

(Manu_cycle)

DB50(DB_front)

DB51(Plus_sort)

DB70(DB_cst)

DFC35

FC



DB pour la gestion des grafcets des missions

DB pour la gestion des grafcets de prise sur palettiseur

DB pour la gestion des grafcets de prise sur convoyeur

DB pour la gestion des grafcets de la depose sur palettiseur

DB pour la gestion des grafcets de la depose sur convoyeur

DB pour la gestion des grafcets de mise en attente

DB pour la gestion des grafcets d’initialisation

DB d’envoi des vitesses

FC106 (Initialisation)

FC110 (Vitesse_auto)

FC41 (Cycle_manu)

FC50 (Sorties)

FC23 (Env_PILZ)

DB100(DB_gest_g

raf)

DB101

(DB_FC101)

DB102

(DB_FC102 )

DB103(DB_FC103 )

DB104

(DB_FC104 )

DB105

(DB_FC105 )

DB106

(DB_FC106)

DB110

(DB_FC110)



79

Détails de la communication en envoi (FC35)



80

Détails de la communication en réception (FC36)



81

Annexe 4 : Carte de communication CP343-1 Lean



82

Annexe 5 :Esquisse d'un dossier de maintenance

1. Utilisation de la gestion des distributeurs

L’utilisation et le fonctionnement des écrans d’utilisation restent identiques par

rapport à l’ancienne configuration.

2. Disposition de l’armoire électrique M110

CPU 315-2DP sera remplacée par une CPU 315- 2 PN/DP, une CP 343-1 LEAN sera

ajoutée à l’installation ainsi qu’un Access point Wifi à 2 antennes.

CP Ethernet 343-1 LEAN



83

Access point Wi-Fi (Scalance W786-1 PRO)



84

Alimentation

L’Access point est alimenté en

230V AC mais peut aussi être

alimenté par POE (Power Over

Ethernet).

4. Disposition de l’armoire électrique M108 et M109



85

Antennes : Une antenne présente (Connectée sur antenne A)



86

3. Dépannage des éléments de communication

Accès SSID : clé WPA : « XXXXXXXXXX »

M108 et M109

Bridge

En cas de remplacement du bridge suivre les instructions suivantes :

1. Mettre le bridge à remplacer hors tension

2. Retirez le couvercle de la fente.

3. Insérez un tournevis entre le bord avant gauche du C-PLUG et la fente

et relâchez le C-PLUG. Retirez le C-PLUG

4. Fermer la fente du couvercle.

5. Réinsérer la CPLUG dans le bridge de remplacement hors tension.

6. Redémarrer l’appareil.



Le périphérique pourra fonctionner de deux façons différentes :

● Sans C-PLUG

Le dispositif stocke la configuration dans la mémoire interne. Ce mode est

actif sans CPLUG insérée.

● Avec le C-PLUG

Dès que l'appareil est démarré avec une C-PLUG embrochée, le

périphérique sans fil démarre avec les données de configuration présentes

sur la C-PLUG.

En cas de paramétrage du périphérique :

La configuration stockée sur la C-PLUG est affichée sur l'interface

utilisateur. En cas de consultation de la configuration, la mémoire interne

n'est ni lue ni modifiée. Si des modifications sont apportées à la

configuration, l'appareil mémorise la configuration directement sur la C-PLUG. Ce mode est actif quand une C-PLUG est embrochée.

Access Point

En cas de remplacement de l’Access point suivre les instructions

suivantes :