Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ?

Présentation au sujet: "Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ?"— Transcription de la présentation:

1 Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ?
Considérations Techniques Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ? TERRAIN : un endroit, l’espace ou quelque chose de limité géographiquement (atelier, usine, voiture,…) BUS (au sens informatique industrielle) : conducteur ou ensemble de conducteurs communs à plusieurs circuits permettant l’échange de données entre eux RESEAU : ensemble de lignes de communication permettant l’échange de données (informations) entre les différents systèmes éloignés

2 Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ?
Considérations Techniques Qu’est ce qu’un Bus de Terrain ? Terme générique d’un Réseau de Communication Numérique dédié aux systèmes de l’automatisme industriel Réseau de communication numérique entre équipement industriel déporté Réseau Local Industriel reliant différents types d’équipement d’automatisme : Entrés / Sorties déportées Capteurs / Actionneurs Automates Programmables Variateur de vitesse Terminaux IHM (Interface Homme-Machine) Calculateurs

3 Considérations Techniques
Bus de Terrain : Conséquences immédiates Exemple en domaine Industrie de Process Ex Réalisation classique 4-20 mA : - une barrière I.S et un câble pour chaque capteur / actionneur (il manque encore alimentation électrique et les signaux de synchronisation !) Réalisation Bus de Terrain : - une seule barrière I.S et un seul câble pour l’ensemble d’équipement Isolation de sécurité

4 Avantages et limite ...  REDUCTION DES COÛTS INITIAUX (Engineering)
Considérations Techniques Avantages et limite ...  REDUCTION DES COÛTS INITIAUX (Engineering) réduction massive du câblage et du matériel nécessaire à l’installation : un seul câble en général pour tous les équipements au lieu d’un par équipement le nombre de câbles et de répartiteurs nécessaires diminue, de même que le volume des armoires réduction du temps d’installation et de la mise en service réduction des erreurs de montage grâce aux câbles pré-confectionnés dans certains cas, la possibilité de réutiliser le câblage existant

5 Avantages et Inconvénients ... 
Considérations Techniques Avantages et Inconvénients ...  REDUCTION DES COÛTS DE MAINTENANCE Complexité moindre donc moins de maintenance; fiabilité accrue Outils de test et de paramétrage dédiés (analyseurs, configurateurs,…) Maintenance plus aisée : réduction du temps de dépannage localisation des pannes plus facile grâce aux fonctions de diagnostic en ligne possibilités de télé-diagnostic, télé-dépannage, télé-configuration Flexibilité pour l’extension du bus de terrain et pour le raccordement des nouveaux participants

6 Considérations Techniques
Avantages et Limites  CONNAISSANCES SUPERIEURES (liés au fait de devoir accéder à une nouvelle technologie) Compétences rares : la maîtrise des réseaux de communication industrielle demande une formation spécifique Topologie, fonctionnement et accès au bus : conflits, arbitrage, protocoles, … Sécurité des informations transportées : gestion des erreurs Supports physiques ABSENCE DE NORMALISATION au niveau international (la norme IEC est un échec) CHOIX ENTRE SOLUTIONS PROPRIETAIRES ET STANDARDS (Solution « Bus de terrain » reste toujours une solution « standard propriétaire » ) INVESTISSEMENT en équipements et accessoires (monitoring, maintenance : coûts apparemment supérieurs) MANQUE d ’INTEROPERABILITE TOTALE (passerelles obligatoires) entre les différents réseaux entre les différents niveaux d ’automatisme même parfois au sein d’une technologie donnée : ex.CAN

7 Bus de Terrain et le Modèle OSI
Considérations Techniques Bus de Terrain et le Modèle OSI Utilisateur 7 6 5 4 3 2 1 Application … LLC MAC Physique Application … LLC MAC Physique 7 6 5 4 3 2 1 Supervision Réseau Standard ISA / SP50 Standard de fait Un Bus de Terrain est basé sur la restriction du modèle OSI à 3 couches : Couche 1 : Physique Couche 2 : Liaison de Données Couche 7 : Application Couches 3 à 6 sont vides car il n’y a pas besoin d’interconnexion avec un autre réseau (gain de performance) Cette modélisation est respectée par les standards de fait et internationaux !!!!

8 Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 2 : Liaison
Considérations Techniques Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 2 : Liaison Couche Liaison MAC ISA/SP50 : arbitrage et accès au médium : Le principe Maître - Esclave Un nœud MAÏTRE actif Plusieurs nœud Esclaves qui ont le droit seulement de répondre au Maître Accès au médium par le polling avec jeton : on peut avoir plusieurs Maîtres déclarés mais seul le maître ayant le jeton est le MAÎTRE ELU pour interroger les nœuds esclaves (pas de contention) Chaque trame contient les adresses SOURCE et DESTINATION Il existe le code CRC 16 bits pour la détection des erreurs de données Couche Liaison LLC ISA/SP50 (en cours de normalisation) supporte les deux types de messages : MESSAGE OPERATIONNEL (« OPERATION ») : faible volume, temps critique, pour le transfert des variables et commandes MESSAGE DE FOND (« BACKGROUND ») : fort volume, temps non critique, pour le diagnostic, configuration,... Utilisateur Application … LLC MAC Physique 7 6 5 4 3 2 1 Supervision Réseau

9 Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 7 : Application
Considérations Techniques Bus de Terrain et le standard ISA / SP50 : Couche 7 : Application Couche Application ISA/SP50 définit deux types de connexion : Modèle CLIENT / SERVEUR : pour le transfert acyclique de données (fort volume) entre deux applications (rapports, gestion,..) Modèle PRODUCTEUR / CONSOMMATEUR («Publisher/Subscriber») : pour le transfert cyclique de données (faible volume) entre deux applications (contrôle - commande, état capteurs / actionneurs, ….) BUS DE TERRAIN ISA / SP 50 EST EN COURS DE NORMALISATION (FF, ISA, CEI) couche liaison adoptée en 1997 premières réalisations : WorldFIP, FIELDBUS FOUNDATION, HART PROFIBUS (bien que dissident de ce groupe de normalisation) converge vers cette norme Utilisateur Application … LLC MAC Physique 7 6 5 4 3 2 1 Supervision Réseau

10 Bus de Terrain : Les Supports Physiques
Considérations Techniques Bus de Terrain : Les Supports Physiques L’utilisation des supports physiques dépend de la distance entre les stations et de l ’environnement dans lequel sera installé le support Les CABLES : - Paire torsadée (blindé ou non ) - Câble coaxial - Câble électrique (courant porteur ) - Fibre optique AUTRES : - Ondes hertziennes (radio) - Par infra-rouges - Par laser

11 Bus de Terrain : Topologie
Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie La Topologie est la manière dont les équipements d’un réseau sont reliés entre eux par le support physique . Les quatre différentes topologies possibles sont : Anneau (« Ring ») Etoile (« Star »), Bus, Arbre (« Tree »)

12 Bus de Terrain : Topologie (suite)
Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie (suite) HUB Topologie en ANNEAU Topologie en ETOILE Nœud Central : Cette configuration est caractérisée par un nœud centrale (HUB) auquel chaque station est reliées Le HUB doit assurer la connexion à travers du réseau Le transfert de l’information s’effectue en mode « point - à - point » En cas de panne du HUB, l’ensemble du réseau est hors service !!! L’extension possible en fonctionnement mais limitée par la capacité du HUB Plus de câbles et manque de souplesse ; il faut une liaison supplémentaire pour chaque station rajoutée La gestion du réseau est plus simple et plus économique Chaque station est raccordée à un câble constituant une liaison physique commune en forme d’une boucle ou circuit fermé Communication unidirectionnelle : Le transfert de l’information se fait dans un seul sens, le long du support de transmission L’anneau est une structure active , les signaux sont régénérés au passage dans chaque nœud Problèmes si un nœud en panne; la rupture de l’anneau paralyse le trafic sur le réseau Extension impossible en fonctionnement HUB : Host Unit Broadcast (unité de diffusion vers les hôtes)

13 Bus de Terrain : Topologie (suite)
Considérations Techniques Bus de Terrain : Topologie (suite) Topologie en ARBRE Topologie en BUS Topologie en BUS : Dans cette configuration chaque nœud est raccordé à un câble constituant une liaison physique commune Le transfert de l’information s’effectue en mode « multipoint » Tout message transmis emprunte le même câble pour atteindre les différents nœuds Cette organisation permet de réduire le nombre de connexions Une défaillance d’un nœud n’interrompe pas la communication entre les autres nœuds Extension aisée Elle est la plus largement répandue à l’heure actuelle. Topologie en ARBRE : Compromis entre les 3 topologies précédentes

14 Considérations Techniques
Quelques définitions Modèle Maître - Esclave : Un Maître interroge cycliquement ses Esclaves Maître : Station qui peut prendre de sa propre initiative, le contrôle du support de transmission pour émettre, sans attendre d ’autorisation Esclave : Station qui ne peut pas prendre, de sa propre initiative, le contrôle du support pour émettre, elle doit attendre une autorisation pour le faire Elle émet à la demande du Maître. Modèle Client - Serveur : Le Client envoie des requêtes en direction du Serveur qui répond en renvoyant les données demandées (communication point-à-point entre appareils présents sur le Bus de terrain) Client : Le processus (une station) qui prend l’initiative de communication Serveur : Le processus (une station) à l’écoute d’une demande de service en provenance d’un processus (station) Client Modèle Producteur - Consommateur : La station qui émet (Producteur), envoie une information reconnue par son identificateur. Toutes les stations qui utilisent cette donnée (Consommateurs) peuvent la lire en même temps (communication enregistrée de type diffusion) JETON : un message particulier que l ’on passe de station en station. La station qui veut émettre doit être en possession du jeton. Une fois l’émission terminée, la station remet le jeton dans le circuit (envoie vers la station suivante)

15 Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium et d’échange de données
Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium et d’échange de données C'est la sous-couche MAC (couche 2) qui réalise la gestion des accès sur le médium, et le protocole qui en définit les règles d’échange d ’information. Il existe plusieurs techniques d'accès qui sont indépendantes du type de topologie, mais deux méthodes essentielles peuvent être distinguées : méthodes d ’accès par ELECTION (accès centralisé) la gestion de l ’accès est confiée à un arbitre fixe (Maître ou Arbitre de Bus) L ’accès par COMPETITION (accès aléatoire) chaque station peut émettre, dès qu ’elle le désire, ce qui implique un risque de conflit d ’accès avec les autres stations et des procédures de résolution de ces conflits Les techniques d ’accès les plus connues : Par « Polling » (E) Par multiplexage temporel (TDMA) (E) Techniques d’accès par jeton (E) Modèle « Producteur - Consommateur » (E) Arbitrage « Bit à Bit » avec le bit dominant (Binary Countdown) (C) Accès aléatoire (CSMA/CD, CSMA/CA) (C)

16 Station 7 (Arbitre de Bus)
Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Modèle Producteur/Consommateur (ex. WorldFIP) Station 2 Produits ID : 09 Consom ID: 08,10,12 Station 1 Produits ID : 12 Consom ID: Station 3 Produits ID : 10 Consom ID: 07,09,12 Station (Arbitre de Bus) Table de Scrutation Liste ID : , , , , Station 6 Produits ID : 07 Consom ID: 09,10 Station 4 Produits ID : Consom ID: 09,10,12 Station 5 Produits ID : 08 Consom ID: 07,09,12 Repose sur un mécanisme de diffusion (Broadcasting) et le contrôle d ’accès est géré par une fonction centralisée appelée « Arbitre de Bus » implantée dans une station dédiée Les stations peuvent être définis comme PRODUCTEURS ou CONSOMMATEURS d ’informations. Une information (variable) est produite par UN SEUL producteur et est référencée par un IDentificateur unique Arbitre de Bus prélève dans la table de scrutation un identificateur ID et l ’émet sur le réseau Station qui se reconnaît comme producteur de cette variable, diffuse immédiatement la réponse contenant la valeur de la variable La réponse est reçue par toutes les stations et est exploitée uniquement par les consommateurs de la variable

17 Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium
Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Accès par l’arbitrage Bit à Bit « CSMA/CD+AMP» (ex. bus CAN) Lorsque le bus est libre, n’importe quel nœud (station) peut commencer à transmettre l’information en émettant l’entête de trame L’entête contient l’IDENTIFICATEUR de 11 bits spécifiquement associé à cette information; l’arbitrage ne concerne que cet identificateur. Le protocole spécifie des bits DOMINANTS (bits à 0) et RECESSIFS (bits à 1) dans l’identificateur Lorsque deux nœuds tentent d’accéder simultanément au médium, les bits récessifs de l’identificateur d’un nœud sont masqués par les bits dominants de l’identificateur plus prioritaire de l’autre nœud. Chaque émetteur écoute le bus et bascule en réception dès qu ’il détecte un bit dominant alors qu ’il envoie un bit récessif Le nœud dont l’identificateur avait la plus haute priorité (c’est-à-dire celui dont l’identificateur est le plus faible) « gagne » l ’arbitrage et accède ainsi au bus Son information est envoyée sans perte de temps Le nœud qui a perdu l’arbitrage tente à nouveau un accès au bus dès que le bus se libère; l’arbitrage n’est donc pas destructif Efficacité importante, accès multiples possibles, Déterministe Mais : le temps de propagation des signaux doit être très petit par rapport à la durée d’un bit (bit time) car chaque nœud doit réagire pendant ce temps (bit time) Cette méthode est appelée Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority

18 Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium
Accès par l’arbitrage bit à bit « CSMA/CD+AMP » (exemple: bus CAN) Abandon Nœud 2 Abandon Nœud 1

19 Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium
Considérations Techniques Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium Accès aléatoire par compétition CSMA CSMA : Carrier Sense Multiple Access (Ecoute porteuse, accès multiple) Émission simultanée : (1)-->(3) et (4)-->(2) Station 1 Station 2 Station 3 Station 4 Dans la méthode CSMA plusieurs stations peuvent tenter d’accéder simultanément au support (Multiple Access) Ceci impose pour chaque station l’écoute et la détection du signal sur le réseau (Carrier Sense). Chaque trame qui passe par le réseau est lue par toutes les stations. Si l’adresse de destination correspond à celle de la station, la trame est envoyée vers la couche supérieure, sinon elle est rejetée. Une station ayant des trames à émettre teste la présence du signal sur le bus. Si le bus est libre, elle transmet la trame. Sinon (une autre station est en train d ’émettre) elle diffère son émission Cette technique n ’évite pas les collisions, deux stations peuvent envoyer une trame simultanément En cas de collision les trames sont altérées, donc perdues. La méthode CSMA/CD prévoit une détection des collisions (Collision Detection). Une fois la trame émise, la station écoute le support pendant un temps (double temps de propagation). Au bout de ce temps, deux cas peuvent se présenter la trame émise n’est pas altérée, il n’y a pas eu de collision ; la station peut poursuivre sa transmission la station détecte une trame altérée, il y a eu collision ; la station reprend la transmission après un temps d’attente aléatoire

20 Considérations Techniques
Bus de Terrain : Techniques d’accès au médium (Récapitulatif)  : bon  : OK (à condition que…)  : mauvais

21 Considérations Techniques
Classification des Bus de Terrain MAP : Manufacturing Automation Protocol TOP : Technical and Office Protocol TCP/IP : Transfert Control Protocol / Internet Protocol On regroupe sous le terme « Bus de Terrain » tous les bus (réseaux) de communication industriels On peut classer ces réseaux suivant différents critères (topologie, débit maximum, Nombre maximum de nœuds, protocoles et méthodes d ’accès au médium,…) On distingue néanmoins par complexité décroissante : Le Réseau d’Usine : Réseau Local Industriel basé sur Ethernet (MAP,TOP, TCP/IP) Le Bus de Terrain (Field Bus) pour relier des Unités Intelligentes Le Bus de bas niveau Capteurs/Actionneurs (Sensor/Aktor Bus)

22 Considérations Techniques
Classification des Bus de Terrain (suite) Réseau d’Usine : En général ce réseau ne fait pas partie des « Bus de Terrain » mais il est indispensable dans pratiquement tous les ateliers industriels Ce réseau utilise comme moyen physique l ’ ETHERNET Mise à part des applications bureautiques, la principale fonction de ce réseau est assurer la communication entre les équipements de production (la messagerie), les PC de supervision et les PC de contrôle/qualité C ’est pourquoi, il est assez fréquent d’étendre ce réseau vers le niveau plus bas (avec par exemple Ethernet TCP/IP) Aujourd’hui, avec des WebServeurs qui commencent à apparaître dans les équipements industriels, il est question d ’en faire une partie intégrale avec des Bus de Terrain (le concept WIM : WEB Integrated Manufacturing)

23 Considérations Techniques
Classification des Bus de Terrain (suite) Réseau - Bus de Terrain : Les « Bus de Terrain » ont pour tâche de relier des unités « intelligentes » qui coopèrent dans l’exécution de travaux, d ’où des temps de réaction sont plus critiques qu’au niveau du réseau d’usine (temps de cycle, caractère déterministe) Les temps de réaction sont de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes Les Bus de Terrain doivent permettre l’envoi des trames allant de quelques dizaines d’octets jusqu’à 256 octets Les Bus de Terrain ont souvent une hiérarchie « Maître-Esclave » Maître coordonne des opérations et la communication, en interrogeant cycliquement les Esclaves Ces derniers n ’ont donc droit à parole que lorsque le Maître le leur permet Mais, si le Maître tombe en panne, plus rien ne marche C ’est pourquoi, les Bus les plus récents (WorldFIP, Profibus, CAN,..) ont une possibilité de passer « le témoin, jeton » à un autre Maître (Bus « MultiMaître) La plupart des Bus de Terrain ont la possibilité d ’accéder au niveau inférieur (Capteurs/Actionneurs) et aussi de couvrir une partie du niveau supérieur (messagerie)

24 Considérations Techniques
Classification des Bus de Terrain (suite) Bus Capteurs/Actionneurs : Les Bus de bas niveau Capteurs/Actionneurs ont pour tâche de relier entre eux des nœuds à intelligence limitée ou nulle dont une seule tâche est d ’élaborer les données les plus élémentaires telles que les états des entrées ou des sorties (Capteurs/Actionneurs) Le temps de réaction est primordial et ne peut pas dépasser quelques millisecondes Le nombre de données circulant sur le bus doit être limité au stricte minimum [trame unique, fixe, cyclique (InterBus) ou une trame avec protocole (CAN,AS-I)] Les distances à couvrir sont généralement moins importantes que celles couvertes par un Bus de Terrain

25 Considérations Techniques FIELDBUS Foundation World FIP
Classification des Bus de Terrain (suite) Ouverture vers le monde Gestion, Coordination Messagerie, Routage Transfert Fichiers et Programmes Contrôle Qualité Réseau d’USINE ( Gestion) ( Contrôle Production ) Tâches de Ctrl Supervision,Config. Communication (trames, paquets) CELLULE Bus de Terrain (Contrôle/Coordination) E T H E R N E T T C P / I P PROFIBUS FMS PROFIBUS PA FIELDBUS Foundation World FIP L O N W O R K S Gestion événements Lecture/Ecriture E/S Téléchargement (plusieurs octets,mots) TERRAIN (Capteur/Actionneur) fonctions élaborés M O D B U S / J B U S P R O F I B U S D P C A N INTERBUS D e v i c e N e t Fonctions simples Lecture/Ecriture Capteurs/Actionneurs (bits,octet) TERRAIN (Capteur/Actionneur) fonctions simples HART AS - I INTERBUS LOOP

26 Réseau AS-I (Actuator Sensor Interface)
AS-I est un standard international (la norme IEC ) pour le plus bas niveau de réseaux d’automatismes : bus de Capteurs / Actionneurs BUTS remplacer le câblage traditionnel au niveau terrain par une paire non blindée possibilité de raccorder des capteurs et actionneurs binaires de différents constructeurs sur un bus de communication sérielle bénéficier des nouvelles fonctions de capteurs/actionneurs (diagnostic, paramétrage, maintenance automatique) simplifier et minimiser les modifications du câblage et de la connectique associée Chip ASIC intégré Maître AS-I Esclaves AS-I Câblage parallèle bus

27 Réseau AS-I (Principes...)
Support physique : 2 fils non-blindés pour données et alimentation (24 V DC, 8 A) Longueur max 100m (300 m avec répéteurs) Pas de résistance de terminaison Câble complémentaire pour alimentation séparée (noir : 24 V DC, rouge : 230 V AC) Topologie libre (bus, étoile, arbre) Participants : Maître et Esclaves (31 Esclaves maximum) Participants Esclaves : maximum 248 bits Entrées/Sorties TOR 4 points de connexion pour Esclave standard (point = une entrée ou sortie) 8 points de connexion pour Esclave spécifique Adressage des Esclaves par software (console de poche ou logiciel) Entrées/Sorties analogiques possibles Maître Alim AS-I Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave . Esclave Esclave Esclave Câble AS-I : signaux + alimentation Esclave Câble d ’alimentation complémentaire

28 Réseau AS-I (Protocole...)
Maître/Esclave (par polling) , 1 Maître , 31 Esclaves max trame très compacte : requête + réponse = 25 bits Temps de scrutation du réseau complet : 5 ms pour 31 esclaves Vitesse de transmission : 167 Kbit/s pour un débit utile de 53.3 Kbit/s contrôleur Maître AS-I Appels séquentiels du Maître : Interrogation des Esclaves vers l'esclave n vers l'esclave n+1 vers l'esclave vers l'esclave 31 Réponses des esclaves : Esclave interrogé répond immédiatement

29 Réseau AS-I (Câblage...) FORME DU CABLE
Câble plat à détrompeur mécanique jaune : Interface AS-I, alimentation incorporée, signaux superposés noir : alimentation complémentaire 24 V DC rouge : alimentation complémentaire 230 V DC connecteurs à prises « vampires » (simple,sûr, IP67) Câble rond (blindé, non blindé) pour des applications spéciales connecteurs à vis moins chers pas de boucles pour connecter correctement caractéristiques du câble peuvent influencer l ’extension du réseau Prises « vampires » 1.5 mm² 2,9 mm mm

30 Réseau (Bus) CAN Réseau (Bus) CAN (Control Area Network) a été développé (1985) par les sociétés Bosch et INTEL ; l ’objectif était de fournir à l ’industrie automobile un bus peu coûteux mais performant qui peut être embarqué dans une voiture (automobile) CAN est reconnu comme un bus de terrain par les standards internationaux ISO et ISO (applications haut débit) CAN est un bus de communication série qui respecte le modèle ISO/OSI au niveau de couches 1,2 ; la spécification de la couche 7 (Application) est laissée à l ’utilisateur ; Contrôleurs CAN sont des circuits de bon marché(!!) et sont aujourd’hui disponibles chez la plupart des fabricants de composants électroniques (Hitachi, Motorola, Philips, Siemens, NEC, NS, Toshiba,…) Grâce à ces performances et des coûts de composants très bas, CAN remplace de plus en plus les interfaces standards telles que RS-232 et RS-485 Les contrôleurs CAN sont très souvent utilisés pour des liaisons internes aux systèmes d’automatismes et sont, de ce fait, souvent dissimulés aux utilisateurs (exemple : modules CP Economy FESTO) CAN s ’impose aussi de manière croissante dans le marché des bus de terrain « classiques » ; les spécifications propriétaires sont de plus en plus remplacées par des protocoles standardisés et ouverts tels que : CANOpen (CiA), DeviceNet (Rockwell Automation), SDS (Honeywell) CAN connaît un essor très important (source CiA) : 11 millions de nœuds en 1996 170 millions en 2001

31 Réseau (Bus) CAN Bus CAN a été développé initialement pour l ’industrie automobile mais sa robustesse et l ’efficacité du protocole l ’ont amené à être utilisé dans de nombreuse autres applications industrielles, en particulier celles nécessitant les débits élevés (1 Mb/s) avec un très faible taux d ’erreurs (automatisme, contrôle)

32 Réseau (Bus) CAN (caractéristiques principales)
Gestion des couches 1 et 2 du modèle ISO/OSI Topologie de bus, connexion de type multipoint par « OU câblé » (connecteur SUB-D 9 points) Transmission synchrone sur paire torsadée, fibre optiques ou liaison infrarouge Débit maximum de 1 Mbit/s pour une longueur de 40 m Communication multimaître et méthode d ’accès au support par compétition système d ’arbitrage CSMA/CD+AMP (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority) arbitrage sur le champ d ’identificateur de la trame (message) bit dominant = 0 bit récessif = 1 l ’identificateur de la trame donne sa priorité Valeur d ’identificateur faible = priorité forte La trame de plus forte priorité est toujours transmise Détection d ’erreur et retransmission automatique Gestion de messages prioritaires Garanties de délai pour des application de type temps réel

33 Réseau (Bus) CAN (couche physique)
Principe du « OU câblé » Contrôleur CAN Contrôleur CAN Ligne de bus CAN_H 120 120 CAN_L Connexion des stations sur CAN Un nœud CAN (ISO 11898) 5 V 3,5 V CAN_H Récessif Récessif 2,5 V Dominant 1,5 V CAN_L « 1 » « 0 » « 1 » t Signaux ISO 11898

34 Réseau (Bus) CAN (couche liaison: Trames CAN)
CAN Data Frame CAN Remote Frame La trame DATA FRAME est générée par un nœud « Producteur » qui désire de transférer les données, ou comme une réponse à la requête d ’un autre nœud (Service Remote Request) Cette trame peut transporter jusqu ’à 8 octets de données L ’identificateur dans le champ d ’arbitrage définit le type de données envoyées CAN Spécification 2.0 B définit deux types de DATA FRAME : Standard DATA FRAME : Champ d ’arbitrage à 12 bits; possibilité d ’adresser 2032 nœuds en théorie Extended DATA FRAME : Champ d ’arbitrage à 32 bits; possibilité d ’adresser nœuds en théorie La trame REMOTE FRAME est générée par un nœud consommateur, demandeur de données (Service Remote Request) L ’identificateur dans le champ d ’arbitrage définit le type de données demandées Le nœud producteur de ce type de données envoie en réponse une trame DATA FRAME avec données et le même Identificateur dans le champs d ’arbitrage

35 Réseau (Bus) CAN (couche liaison: Structure de trames CAN)
SOF : Start Of Frame : bit pour une synchronisation « hardware » de tous les nœuds, suivie par le champ d ’arbitrage RTR : Remote Transmit Request : distinction entre DATA FRAME (RTR=0=dominant) et REMOTE FRAME (RTR=1) SRR : Substitute Remote Request : complément du RTR dans Extended Frame IDE : Identifier Extension : bit dominant pour Standard Frame et récessif pour Extended Frame, la trame standard est toujours prioritaire en cas de collision avec une Extended Frame r0,r1 : bits dominants, réservés DLC : taille des données en octets (4 bits) : 0 à 8 octets CRC : Cyclic Redundancy Check : code de contrôle CRC-15 complété par un bit récessif ACK : ACKnowledge : acquittement de la trame (2 bits dont 1 récessif) EOF : End Of Frame : 7 bits récessifs INT : InterMission : 3 bits récessifs , pause inter-trames

36 Réseau (Bus) CAN (couche liaison: accès au bus, arbitrage CSMA/CD+AMP)
Abandon Nœud 2 Abandon Nœud 1

37 ETHERNET comme Bus de Terrain

38 ETHERNET comme Bus de Terrain
Les utilisateurs ont toujours besoin de plus de performance pour faire transiter plus de données dans un temps toujours plus court; De plus, ils ont besoin d ’accéder aux équipements de terrain depuis des outils banalisés Ils ont aussi besoin d ’interconnecter plus d ’équipement, toujours plus distants les uns des autres Aujourd’hui, les technologies informatiques « grand public » sont devenues presque aussi fiables que les réseaux locaux industriels. D ’où, une grande tentation d ’utiliser ETHERNET (une technologie banalisée, performante, fiable et peu onéreuse) comme un réseau de communication industrielle ETHERNET avait déjà ses débuts dans la communication industrielle (réseaux FACTOR, SINEC H1, LAC, ARLIC), mais c ’est aussi un réseau qui a bien changé : hauts débits (100 Mbits/s, 1 Gbits/s,..) aux coût bas TCP/IP : protocoles banalisés, ouverts et omniprésents qui permettent de connecter immédiatement tout et partout couche physique améliorée, structures en étoile très fiables spécifications publiques, outils nombreux et compatibilité directe avec les solutions informatiques de gestion, commutateurs et l ’autre équipement qui augmente les performances du réseau, … Finalement, ETHERNET commence être incontournable pour réaliser des applications d ’automatisation réparties là, où les flux de données ne cessent de croître

39 ETHERNET comme Bus de Terrain
ETHERNET est différent par rapport aux Bus de Terrain « classiques » La plupart de Bus de Terrain (Profibus, Devicenet, CAN, AS-I) ont une structure en bus basée sur un câble continues qui nécessite une résistance de terminaison ou un faible débit (AS-I) InterBus utilise une structure en anneau ; si l ’anneau est coupé, le réseau ne fonctionne pas La mise en route demande toujours les tests de continuité du câblage ETHERNET utilise une topologie en étoile qui facilite la détection des erreurs du câblage car la fonction de vérification de connexion est intégrée dans les hubs (LINK-LED)

40 ETHERNET : dimension du réseau

41 ETHERNET et temps réel Ethernet temps Réel en automation nécessite toujours l’utilisation de réseaux séparés : câblage séparé utilisation des switches et des routers Temps réel avec Ethernet est possible par: utilisation du principe Master/Slave utilisation du « token passing »(jeton) limitation du trafic sur réseau < 50%

42 ETHERNET comme Bus de Terrain (contre)
Poins faibles : Câblage est souvent très complexe et onéreux (hub, commutateurs (switches),….) Connectique non adaptée au milieu industriel ( RJ45 vs M12, étanchéité ?, sécurité intrinsèque ? ) Sécurité d ’accès au réseau non assuré Contraintes temporelles non garanties (même avec des commutateurs) Nécessité d ’implémenter un algorithme de synchronisation pour l ’horodatage de données Faible efficacité : il faut 1000 bits pour envoyer un mot de 16 bits (200 CAN, 451 ProfiBus) Absence de télé-alimentation intégrée De plus :Protocoles TCP/IP ne sont pas adaptés aux contraintes industrielles : Pile de protocoles volumineuse et traitement associés complexes quel adressage : IPv4 ou IPv6 ? Pas de prise en compte du temps Pour aujourd ’hui, pas de couche Application disponible aujourd ’hui ETHERNET est une technologie utilisable dans le milieu industriel, sous certaines conditions ETHERNET peut être utilisé pour de transfert de données dans des applications non contraintes par le temps Association d ’ETHERNET avec Internet est possible, mais ne permet pas d ’obtenir les qualités demandées aux réseaux de terrain

43 ETHERNET INDUSTRIEL : alternative à un Bus de Terrain
Plusieurs alternatives existent et s’affrontent dans le domaine d’Ethernet Industriel : Initiative EtherNET/IP de Rockwell Projet PROFINET de Siemens Spécification HSE (High Speed Ethernet) de Fieldbus Foundation Initiative IDA de Schneider Electric et Phoenix Contact MODBUS TCP Deux grandes catégories de solutions techniques : Solutions qui encapsulent les données dans une trame ETHERNET ou dans un paquet TCP/IP Solutions qui utilisent des passerelles ou serveurs « proxy »