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2011/2012 Communication Industrielle Le besoin de communiquer.

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2 2011/2012 Communication Industrielle

3 Le besoin de communiquer

4 3 PRINCIPE Analogie avec la communication humaine : La communication humaine met en oeuvre une chaîne d'organes permettant d'envoyer des messages à un interlocuteur. TRANSMISSION D'UN MESSAGE

5 4 Tout comme la communication humaine, la communication entre systèmes s'effectue à travers une chaîne d'éléments. TRANSMISSION D'UN MESSAGE Bus : il s'agit d'une série de fils électriques par lesquels sont véhiculées, sous forme numérique (des mots binaires), les informations à transmettre.

6 5 CODAGE DE L'INFORMATION : La transmission de données consiste à coder des informations de façon à pouvoir être véhiculées sur un support adapté. Dans le cas des transmissions numériques, le codage se fait par des bits (0 ou 1 logique). Chaque niveau logique correspondant à un niveau de tension ou courant. Les différentes normes spécifient les niveaux du 0 et du 1 logique ( niveau de tension, de courant, de fréquence, de front ). La transmission des bits de données peut être véhiculée de deux façons différentes : en PARALLELE ou en SERIE.

7 6 Transmission parallèle : Les données en sortie des organes de traitement de I'information sont présentées généralement sous forme de mots de n bits. La transmission parallèle consiste a émettre simultanément ces n bits d'information et nécessite par conséquent une ligne de transmission de n fils appelée bus, associée à des fiIs de contrôle et de commande. TRANSMISSION D'UN MESSAGE : Ce type de liaison est utilisé pour transmettre des données sur de courtes distances (quelques mètres)

8 7 Transmission série asynchrone : En environnement industriel on préfère Utiliser la transmission Série asynchrone plus simple à mettre en oeuvre et moins coûteuse. La ligne ne comporte qu'un fil; les éléments binaires d'informations (bits) d'un mot ou caractère sont alors envoyés successivement les uns après les autre (sérialisation) au rythme d'un signal d'horloge. Le récepteur effectue I'opération inverse: transformation Série/parallèle à partir de son horloge ayant la même fréquence que celle de I'émetteur. TRANSMISSION D'UN MESSAGE :

9 8 LE MODE DE TRANSMISSION DES DONNEES : Le mode de transmission permet de définir si la communication se fait entre deux ( liaison point à point ) ou plusieurs interlocuteurs ( >2 : liaison multipoint) et sous quelle forme : SIMPLEX : Dans ce mode, l'émetteur émet des ordres, le récepteur les exécute uniquement. Le récepteur ne peut pas renvoyer un message.

10 9 HALF DUPLEX : Dans ce mode, émetteur et récepteur peuvent recevoir et envoyer des messages. Cependant, chaque partie ne peut pas émettre et recevoir en même temps. l'être humain communique majoritairement sous cette forme car c'est elle qui permet de comprendre au mieux le message ( couper la parole de quelqu'un, c'est vouloir émettre un message en même temps.La communication devient alors difficile ). émettre et recevoir alternativement. EMETTEURRECEPTEUR

11 10 FULL DUPLEX : Dans ce mode, chaque partie peut émettre et recevoir en même temps. Cette forme de communication permet aux organes de traitement d'émettre en même temps (donc de recevoir en même temps aussi) Cela nécessite dans ce cas, 2 voies de communication.L'être humain ne communique pas sous cette forme (car nous ne pouvons parler et écouter en même temps).

12 11 LIAISON MULTIPOINT : La liaison MULTIPOINT implique la présence de plusieurs interlocuteurs (au moins 3).Ce type de liaison comporte généralement un central pouvant émettre des messages simultanément à tous les récepteurs. Par contre, chaque récepteur, autre que le central, ne peut émettre simultanément avec d'autres récepteurs. Pour pouvoir émettre, il doit attendre que la ligne de transmission soit libre pour émettre un message Exemple : Un cours dispensé à des élèves, correspond à une liaison multipoint. En effet, le professeur parle à l'ensemble de la classe. Lorsque le professeur pose une question, l'élève lève le doigt (demande de communication). A ce moment là, l'élève peut communiquer avec le central (le professeur).

13 12 LE FORMAT DECHANGE DES DONNEES : Qu'est ce que le format d'échange ? Un caractère en ASCII n'est pas transmis seul. Il est associé à des bits de contrôle comme suit : Bit de START : Il indique le début de l'émission d'un caractère. Il est au 0 logique. Bit de parité : Le bit de parité est un moyen simple de vérifier la validité d'un message en indiquant si le nombre de 1 Logiques, sur l'ensemble du message est pair ou impair. S'il apparaît une discordance entre le nombre de 1 Logiques dénombré à la réception et le nombre indiqué par ce bit de parité, c'est qu'il y a erreur de transmission. Cette méthode rudimentaire fonctionne bien si la probabilité d'erreur est inférieure à 1 bit sur 8. Bit de STOP : Le bit de STOP indique la fin d'émission du caractère. Il est au 1 logique. Code ASCII : Américan Standart Code for Information Interchange. Code standard américain pour l'échange d'informations. Ce code permet d'affecter un code binaire à chaque caractère d'une machine à écrire ou clavier d'ordinateur. Le code ASCII étant un standard, il permet de transmettre des caractères avec la majorité des unités de traitement (voir le code ASCII).

14 13 EXEMPLE : Dans l'exemple ci-dessous, on désire transmettre le caractère L avec une parité PAIRE.

15 14 Dans l'exemple suivant, on désire transmettre le caractère T avec une parité IMPAIRE.

16 15 LA VITESSE DE TRANSMISSION : Elle définit la vitesse d'émission d'une information élémentaire. L'information élémentaire dans le cas des machines, c'est le bit. Cette vitesse se mesure en bits par seconde ( BPS ). Pour pouvoir communiquer correctement, l'émetteur et le récepteur doivent fonctionner à la même vitesse. Certaines vitesses sont souvent utilisées : 4800 BPS,9600 BPS,19200 BPS, BPS, etc... Plus la vitesse de transmission est élevée, et plus un message sera transmis rapidement.

17 16 LE LANGAGE DE COMMUNICATION : Deux personnes peuvent utiliser le même type de liaison, le même mode de transmission, la même vitesse de transmission sans toutefois se comprendre. Cela ne suffit pas !

18 17 LE SUPPORT PHYSIQUE EST LE MÊME MAIS LA COMMUNICATION NE PEUT PAS S'ETABLIR. Il faut donc, non seulement un support physique, mais aussi un LANGAGE.Le langage utilisé pour communiquer entre les différents organes de traitement des données s'appelle : LE PROTOCOLE Le PROTOCOLE doit comporter non seulement des mots compréhensibles par les interlocuteurs, mais aussi un code d'émission et de réception. Ici la communication s'établit de la façon suivante: Ici, le protocole c'est la langue

19 18 LA COMMUNICATION PEUT S'ETABLIR CAR LE SUPPORT PHYSIQUE ET LE PROTOCOLE SONT LES MÊMES. Bonjour ! ( servant à avertir qu'un message va être envoyé ) Quelle heure est - il ? (requête pour une demande d'information et attente de réponse ) il est 16 H 15 ( transmission de l'information ) merci ! ( accusé réception du message = message bien reçu ) Dans la majorité des cas, la communication entre organes de traitement se fait pas émission de codes ASCII Le code ASCII associe chaque caractère d'un clavier à un code binaire sur 7 ou 8 bits. Ex : le L s'écrit

20 19 LE CODE A.S.C.I.I : code ASCII (American Standart Code for Information Interchange) Dans la majorité des cas, la communication entre organes de traitement se fait pas émission de codes ASCII Le code ASCII associe chaque caractère d'un clavier à un code binaire sur 7 ou 8 bits.

21 20 Comment lire le tableau ? code ASCII du caractère B : en binaire prendre la suite de bits de b0 à b6 (attention au sens de lecture).

22 en héxadécimal prendre le chiffre représentatif de la colonne puis celui de la rangée (qui peut être une lettre).

23 en héxadécimal prendre le chiffre représentatif de la colonne puis celui de la rangée (qui peut être une lettre).

24 23 QUELQUES STANDARDS UTILISES POUR TRANSMETTRE DES DONNEES : RS 232 C ou V24 Elle comporte 2 lignes de transmission des données: une pour chaque sens, ainsi qu'un ensemble de lignes de contrôle et de commandes nécessaires à I'établissement d'un canal de communication. Toutes ces lignes sont référencées par rapport à un fil commun (terre de signalisation ou retour commun). La liaison RS 232 C est définie pour une longueur maximum de 15 mètres et un débit au plus égal a 20 Kbps. Pour les lignes de données: - tension > 0 (entre +5 et 15V ) = bit a 0 logique - tension < 0 (entre -5 et -15V ) = bit a 1 logique UTILISATION : liaisons courtes avec faibles débits ex : liaison souris - ordinateur ; liaison ordinateur - traceur

25 24 RS 422A, RS 485 Ce standard diffère fondamentalement de la liaison RS 232 C car il définit un mode de transmission différentiel. Chaque signal de données est véhiculé sur 2 fils et n'est pas référence par rapport à une masse, mais présenté comme un signal différentiel aux sorties du transmetteur et aux entrées du récepteur. Le standard RS 485 est une extension du standard RS 422 A plus connu permettant des liaisons multipoint aussi bien que point a point. Tension de sortie circuit ouvert: 6 volts > Vo > - 6 volts La norme RS 485 est une extension du standard RS 422 qui consiste à boucler l'émetteur sur le récepteur Utilisation : liaisons < 1000 m ; débit jusqu'à 10 Mbits ex : liaison XBT - TSX liaisons industrielles

26 25 Boucle de courant La particularité de cette norme est que la transmissions des bits de données se fait non pas en niveaux de tensions mais en niveaux de courants. La liaison par boucle de courant 20 mA est sans doute la plus ancienne des liaisons séries issue de la communication avec un télé-imprimeur et n'a jamais fait I'objet d'une normalisation. Elle se compose de deux boucles, une pour I'émission I'autre pour la réception, parcourues ou non par un courant de 20 mA obtenu à partir d'une source de tension. présence d'un courant de 20 mA = 1 LOGIQUE non présence d'un courant de 20 mA = 0 LOGIQUE UTILISATION : Par sa simplicité de mise en oeuvre, trouve de nombreuses applications lorsqu'un débit de quelques milliers de bits par seconde est suffisant

27 26 La normalisation Besoin de définir des protocoles normalisés ou standardisés afin que seule l implémentation des protocoles change Standards de fait ou définis par des organismes privés Organismes les plus connus : –ISO : International Organisation for Standardisation –ITU (ex CCITT) : International Telecommunication Union –IEEE : Institute of Electrical and Electronic Engineers

28 27 Exemple Scie Tour Fraiseuse horizontale Meule Fraiseuse verticale Fraiseuse verticale Inspection finale Préparation Stockage

29 28 FABRICATION INTÉGRÉE C.I.M. n Cest lintégration de toutes les technologies de linformation relatives aux différentes activités manufacturières de lentreprise dans un système global permettant de communiquer entre les différents secteurs de celle-ci dans le but de raccourcir le temps de réponse à la demande, les temps de mise en route et les frais de main doeuvre indirecte.

30 29 Comment transformer… Introduire le linge Ajouter de leau Et de la lessive Sortir le linge Agiter EssorerVidanger Rincer Lessive

31 30 Une machine à laver… Chargement - Linge Chargement - Eau - Lessive Déchargement - Linge Agitation - 20 Essorage - 5 Vidange - Egoût Vidange - Egoût Chargement - Eau Rinçage Lessive

32 31 En machine à café! Chargement - Eau - Café Agitation - 10 Vidange - Egoût Vidange - Tasses à café Chargement - Eau Rinçage Café

33 32 Cellule de fabrication TournageFraisagePercage Traitement thermique FraisagePercage Traitement thermique TournageFraisage Traitement thermique AssemblageAssemblage Produit 1 Produit 2 Produit 3

34 33 AMÉNAGEMENT PROCÉDÉ Tournage Percage Fraisage Traitement thermique AssemblageAssemblage Produit 1 Produit 2 Produit 3

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36 35 L'INTEGRATION FONCTIONS SYSTEMES INFORMATIONS TERRAIN MACHINE CELLULE ATELIER USINE IV) CLASSIFICATION PYRAMIDE CIM (Computer Integrated Manufacturing) GESTION ENTREPRISE AUTOMATISATIO N COMMANDE CENTRALISEE SUPERVISION CONTRÔLE PRODUCTION DONNEES CALCULATEURS MICRO- ORDINATEUR API CONTROLEURS REGULATEURS CAPTEURS ACTIONNEURS FICHIERS TABLEAUX MESSAGES MOTS BITS

37 36 TERRAIN MACHINE CELLULE ATELIER USINE VOLUME DE DONNEES TEMPS NON CRITIQUE TEMPS > 10 s TEMPS < 1 s TEMPS < 0,1 s T < 0.01 s Temps de réponse TRAITEMENT DE DONNEES TRAITEMENT DE DONNEES EN TEMPS REEL PYRAMIDE CIM (Computer Integrated Manufacturing) IV) CLASSIFICATION

38 37 TERRAIN MACHINE CELLULE BUS SENSEUR/ACTEUR BUS DE TERRAIN BUS D USINE RESEAUX INFORMATIQUES ATELIER IV) CLASSIFICATION USINE INTERNET

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40 39 Les fonctions d automatisme Acquisition d informations et commandes d actionneurs Entrées / sorties déportées sur bus de communication Dialogue opérateur Terminaux alphanumériques et touches de clavier Ecrans graphiques tactiles Enregistrement de conditions de fonctionnement Archivage et restitution, consignes Supervision Sommaire

41 40 Panorama des bus et réseaux de communication - 1 Communication entre un API et sa périphérie TSX-Nano API Milieu de gamme < 248 E/S MODBUS MODBUS UNITEL-WAY UNITEL-WAY TSX-Micro Dialogue opérateurEntrées / Sorties déportées AS-i AS-i Capteurs / actionneurs Régulateur Eurotherm Démarreur Démarreur Leroy-Somer KEP-France Magelis

42 41 Panorama des bus et réseaux de communication - 2 Communication entre automates programmables FIP-WAY FIP-WAY TSX 57 PremiumS7-400 MODBUSUNITEL-WAY TSX Micro AS-i Communication entre un API et sa périphérie S7-300 PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP

43 42 Unitel-Way Panorama des bus et réseaux de communication - 3 Communication entre équipements dautomatismes Communication entre automates Communication entre API et périphérie ModbusUnitel-Way TSX Micro AS-i Fip-WayPremiumS7-400 S7-300 Profibus TSX Micro ETHERNET Industriel ETHERNET Industriel PC Supervision GPAO Main Frame

44 43 Panorama des bus et réseaux de communication - 4 Communication entre équipements dautomatismes et informatique ETHERNET ETHERNET ModbusUnitel-Way TSX Micro AS-i Communication entre APIsFip-Way PremiumS7-400 Communication entre API et périphérie S7-300 Profibus TSX Micro Unitel-Way ETHERNET Industriel ETHERNET Industriel PC Supervision Main Frame GPAO Communication entre îlots dautomatismes PC Supervision Services Sommaire

45 44 Supervision : fonctions Interface Homme / Machine Envoi de consignes / commandes Affichage des états Etat des alarmes Enregistrement de l évolution du process Restitution des états archivés

46 45 Supervision : systèmes Automate Stockage sur cartes mémoire Flash PC-Card IHM spécifique et application dédiée Serveur Web embarqués Client sur navigateur standard Architecture PC, ouverte Stockage sur disque dur Ecran graphique standard ou durci PC tertiaire PC Industriel

47 46 Supervision sur PC S.C.A.D.A. : Supervision Control And Data Acquisition Applications, sur système d exploitation dédié Utilise les technologies logicielles de l OS Une plateforme standard : Microsoft Windows De nombreux fournisseurs

48 47 Supervision : quelques logiciels Wizcon, Factorylink, Cimview, Fdc, Winlab, Cimplicity, Isis3000, Processyn,...

49 48 Supervision : nombreux protocoles et matériels FipWay, Fip I/O Modbus, Modbus Plus Profibus WorldFip CAN-Open, DeviceNet Interbus-S, FieldBus ControlNet Industrial Ethernet - TCP/IP Industrial Ethernet - TCP/IP Remarque : Chaque application a dû créer ses pilotes de communications Sommaire

50 49 Communication par Ethernet ou réseau IP Norme IEEE Réseau en étoile, pas de notion de priorité Gestion de collision, réseau non déterministe Ethernet commuté permet d améliorer la bande passante utile Utilisation de Switches au lieu de Hubs Connexion par prise RJ45

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58 Protocoles de communication

59 Généralités-Modèle OSI

60 Définir le Bus de Terrain TERRAIN = indique quelque chose de limité ou délimite géographique (Usine, Atelier, Voiture...), BUS = ensemble des fils (conducteurs) utilisés pour l échange de données entre différents circuits électroniques, RESEAU = ensemble de lignes de communication qui desservent une même unité géographique. BUS/RESEAU DE TERRAIN = réseau de communication numérique reliant différents types d équipements d automatisme. PROTOCOLE : relatif à une couche ISO, il désigne les règles de dialogue entre mêmes couches des entités communicantes.

61 But : Remplacement des boucles de courant 4-20 mA, Distribution (décentralisation) du contrôle, du traitement des alarmes, diagnostics au différents équipements de terrain, Intelligence déportée au niveau de ces équipements, Interopérabilité (communication). M V

62 Avantages : REDUCTION DES COUTS : –Réduction massive du câblage : 1 seul câble en général pour tous les équipements au lieu dun par équipement, –Réduction du temps d installation. REDUCTION DES COUTS DE MAINTENANCE –Complexité moindre donc moins de maintenance –Flexibilité pour l extension du bus de terrain et pour les nouveaux raccordements. PERFORMANCES GLOBALES ACCRUES - Précision de la communication numérique : la donnée numérique transférée est sans erreur de distorsion, de réflexion... - Les données et mesures sont généralement disponibles à tous les équipements de terrain, - Communications possibles entre 2 équipements sans passer par le système de supervision.

63 INCONVENIENTS : Non possibilité de prise en compte de l information en Temps Réel par rapport aux boucles de courant, Sécurité des informations non garantie, Choix du réseau : Topologie, vitesse de transmission, Supports physiques de communication, Choix entre solutions propriétaires et standards (il existerait 2000 bus de terrain différents), Compatibilité totale entre équipements de fournisseurs différents ?

64 Modèle OSI de ISO OSI : Open System Interconnection ISO : International Standard Organization Segmente les fonctionnalités dun système communiquant selon 7 couches. Chaque couche garantit à la couche qui lui est supérieur que le travail qui lui à été confié a été réalisé sans erreur.

65 Le Modèle OSI possède 7 couches –Couches de 1 à 4: couches basses chargées d assurer un transport optimal des données –Couches 5 à 7: couches hautes chargées du traitement des données APPLICATION PRESENTATION SESSION TRANSPORT RESEAU LIAISON PHYSIQUE APPLICATION PRESENTATION SESSION TRANSPORT RESEAU LIAISON PHYSIQUE SUPPORT PHYSIQUE BITS TRAMES PAQUETS MESSAGES PROTOCOLE SERVICE

66 Couche 3 : Réseau Gère l'adressage des informations : qui est le destinataire de mes messages, numéro d'équipement ou de station, sur quel réseau… Couche 2 : Liaison de données Divisé en deux sous couches : LLC (Logical Link Control) : Gère le contrôle et le flux des informations. CRC(code de redondance cyclique) et réitérations associées… MAC (Medium Access Control): Gère le partage de l'accès au médium (CSMA/CD, arbitrage de bus…) Couche 1 : Physique Définit la nature du support physique de la communication et le codage de l'information : type de câble, transmission hertzienne, connecteurs, signaux électriques, codage binaire de l'information…

67 Couche 5 : Session Gère la notion de session, intervalle de temps pendant lequel deux équipements sont en communication et reprise de contexte suite à interruption. Couche 4 : Transport Transport de l'information de bout en bout entre deux stations distantes : segmentation des trames… (Note : la trame est l entité transportée sur les lignes physiques. Elle rassemble un certain nombre d octets) Couche 7 : Application Définit la nature des informations échangées : messagerie, transfert de fichiers… Couche 6 : Présentation Définit la représentation des informations : encodage, compression ou cryptage de l'information.

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69 Différents modes de transmission

70 Mécanismes d accès au médium C est la gestion de l accès au support physique. On distingue les mécanismes suivants : Maître-esclaves, Arbitrage de bus, Maîtres-esclaves, Bus à jeton, C.S.M.A (Carrier Sense Multiple Access.)

71 Maître-esclaves Un seul équipement, le maître est à linitiative de tous les échanges, les autres équipements, les esclaves, se contentant de répondre lorsque le maître le leur demande.

72 Arbitrage de bus Le mécanisme est assez voisin du précédent dans le sens où un seul équipement, larbitre de bus, attribue un droit de parole à tour de rôle à chacun des autres équipements. La principale différence est que chacun des équipements, lorsquil fait usage de son droit de parole, peut adresser ses informations à nimporte quel autre équipement, ou même à tous simultanément (diffusion).

73 Maîtres-esclaves Le réseau fonctionne en maître-esclave comme vu précédemment, mais le réseau peut changer de maître. La main passe d'un maître à un autre par transmission d'un message particulier baptisé « jeton ». L'efficacité de ce procédé est liée à la rapidité de propagation du jeton dans l'anneau logique constitué par la succession des différents maîtres.

74 Bus à jeton (token ring) Un jeton, correspondant à un droit de parole, passe de station en station, selon un ordre déterminé. Chaque station peut émettre vers nimporte quelle autre station tant quelle possède le jeton mais ne peut garder celui-ci que pour une durée limitée, définie par configuration C.S.M.A (Carrier Sense Multiple Access) L'objectif de ces méthodes est de permettre à toute station de s'exprimer quand bon lui semble. Avantages : Optimisation du traffic, Répartition de la maîtrise du réseau Inconvénients : Trafic aléatoire, Risque de collisions On note aussi : CSMA/CD : CD = Collision Detection

75 Sommaire Modèle OSI Différents modes de transmission Les différents modes de communication - Modbus - Spabus - LON - Profibus Perspective d avenir : Ethernet Supports de communication

76 Supports physiques de communication

77 Le cuivre (câbles électriques): Avantages : possibilité de multi-point, de télé-alimentation Inconvénients : la longueur permise (portée) est inversement proportionnelle au débit dinformation (bits/seconde), problèmes de compatibilité électromagnétique. Risque d incendie en cas de court-circuit. La paire torsadée blindée La conjugaison des effets de torsade et de cage de Faraday (blindage) atténue fortement la sensibilité aux rayonnements extérieurs. De coût attractif, il est le médium dusage courant pour les réseaux de terrain. Débit x Portée = 108 à 109 bits.m/s. (exemple : 1Mbit/s : 100m à 1 km)

78 Le câble coaxial Constitué dune âme centrale et dun blindage extérieur, il permet pour un prix abordable datteindre des débits supérieurs tout en présentant une bonne immunité aux parasites ambiants. Débit x Portée = 5,108 à 1011 bits.m/s. (exemple : 10Mbit/s : 50m à 10km) La fibre optique Il est de plus en plus fréquent dutiliser la fibre optique, qui est une sorte de tuyau à lumière. Son coût au mètre devient très concurrentiel, et ses problèmes de raccordement se simplifient. Avantages : immunité aux parasites ; le débit dinformation permis par la fibre optique nest pas fonction de sa longueur (kilomètres et centaines de Mbit/s). Inconvénients : Elle ne permet que laborieusement la mise en parallèle, Mise en œuvre difficile (enceinte de mise en œuvre doit être propre).

79 Topologies Le raccordement physique entre les différentes stations dun réseau peut être réalisé suivant des schémas de natures très différentes baptisées topologies. Les documents constructeurs ont la fâcheuse habitude de confondre câblage et topologie, et profitent de la liberté de câblage quoffre en général un bus pour laffubler de désignations usurpées telles que topologie libre etc...

80 Topologies de type bus Cest une topologie à médium partagé car toutes les stations sont raccordées en parallèle via le médium qui parcourt le site. Ceci implique que chaque abonné doit être apte à se taire. Avantages : Simplicité de mise en œuvre ; rapidité. Inconvénients : Une défaillance du médium affecte la totalité du segment considéré ; conflits daccès.

81 Topologies en anneau Topologie en forme de boucle où chaque station ne peut sadresser quà sa voisine. Il sagit donc cette fois dune topologie point à point. A noter quici, chaque station régénère le signal, ce qui multiplie grosso modo la portée par le nombre de stations. Avantages : détection de défaillance, localisation des défaillances de médium Inconvénient : Un simple dialogue entre deux stations distantes passe par un certain nombre dintermédiaires, ce qui rallonge dautant les temps de propagation.

82 Câblages réseaux point-à-point: Etoile Arbre Maillage régulier Anneau

83 Transmission de données

84 Transmission parallèle Si un octet doit être transmis, tous les bits du même octet sont émis simultanément. Cela signifie quà chaque bit correspond une liaison conductrice séparée, cest-à-dire un fil conducteur. Cest une transmission rapide. Son coût et le nombre de fils la rend inapte pour les longues distances. Transmission sérielle Lenvoi des bits lun après lautre, sur le même support physique, à linverse de la transmission de données parallèle où lenvoi des bits est simultané. Cest une transmission plus lente. Elle permet un grand nombre dapplications avec une faible contrainte dencombrement ; la transmission peut seffectuer avec trois fils, elle est donc plus économique pour des longues distances.

85 Mode Synchrone : La transmission se produit à des instants et pendant des durées fixes, définis à lavance. Les codes numériques doivent se suivre. Mode Asychrone : La transmission se produit à des instants aléatoires. Les codes numériques ne doivent pas être émis en continu.

86 Norme RS 232 (Recommended Standard de l EIA) : utilisé pour des liaisons point à point sans différentiel de tension soumis aux parasites ambiants le standard international équivalent est le V.24 qui définit les caractéristiques mécaniques et la nature des signaux et le V.28 définit les tensions appropriées. Norme RS 422 : même que RS 232 mais avec différentiel de tension (immunité aux parasites). Norme RS 485 : définit les conditions d'interconnexion de plusieurs circuits émetteurs et récepteurs (transceivers) utilisés dans des systèmes multipoint en mode symétrique (Bus 2 fils). la particularité de cette liaison est de permettre la connexion de plusieurs appareils. dans ce protocole chaque appareil a la possibilité d'autoriser ou d'interdire la transmission.

87 MODBUS

88 C est un protocole de transmission de données régissant le dialogue entre une station maître et des esclaves. Un maître unique peut communiquer avec jusqu à 255 équipements esclaves. Un des protocoles les plus répandus dans le domaine des réseaux de terrain. Définit une structure de messages pouvant être utilisée par les automates quel que soit le type de réseau sur lequel ils communiquent. Le protocole communique avec les autres équipements via une liaison RS232 (point-à-point) ou une liaison série RS485/RS422 (multi-points). Définit 2 types de codage : ASCII et RTU.

89 Mode ASCII (American Standard Code for Information Interchange) : chaque paquet de 8 bits est envoyé comme 2 caractères ASCII. Mode RTU (Remote Terminal Unit): chaque paquet de 8 bits dans le message contient 1 caractère hexadécimal. Le mode RTU offre de meilleurs performances que le mode ASCII du fait du compactage de données. En effet, avec le mode ASCII le nombre de bits envoyés est doublé tandis que le mode RTU envoi les bits comme ils sont.

90 Caractéristiques

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92 RS 232RS 485

93 MODBUS Plus : un réseau ! Est un réseau local industriel performant permettant de répondre à des architectures étendues de type Client/Serveur, combinant haut débit (1Mbits/s), support de transmission simples et économiques et nombreux services de messagerie.

94 Sommaire Modèle OSI Différents modes de transmission Supports de communication Les différents modes de communication - Modbus - LON - Profibus Perspective d avenir : Ethernet - SPA-bus

95 SPABUS Originairement conçut comme bus de terrain pour les systèmes de protection, de contrôle et d enregistreur d événement. Le protocole utilise le mode un maître et plusieurs esclaves. Les messages sont basés sur les caractères du code ASCII. Communication sous forme interrogation/réponse ou sous forme diffusion générale et utilise la transmission sérielle asynchrone. La construction de base du protocole suppose que les esclaves ne peuvent prendre linitiative dengager le dialogue avec le maître mais que le maître est au courant des données que contiennent les esclaves et, par conséquent, peut demander les données dont il a besoin. De plus le maître peut envoyer des données à lesclave.

96 Communication : Le maître amorce les communications en envoyant un message au bus. L'esclave, qui reconnaît son propre numéro d'esclave dans le message du maître, répond en envoyant un message de réponse approprié. L'esclave ne répond pas s'il n'a pas reçu le caractère de début de message (>), son propre numéro desclave et le caractère de fin de message (cr).

97 Caractéristiques Vitesse de transfert : 9600 bit/s. (Dans certain cas : 300, 1200, 2400 ou 4800 bit/s) Le temps maximum pour un esclave de répondre est de 50 ms mais c est à éviter le temps recommandé est de 5 ms. La longueur maximale d un message est de 255 caractères. Supports physiques de communication : RS 485, RS 232, fibre optique (en verre ou en plastique).

98 LON

99 LON (Local Operating Networks) Un réseau multi-maîtres avec le protocole daccès CSMA/CA (CA : Collision Avoidance). LonWorks respecte le modèle OSI complet (couches 1 à 7) contrairement au bus de terrain classique (couches 1,2 et 7). LonWorks est bâti autour de 3 briques importantes : - Circuit Neuron Chip : composé de 3 microcontrôleurs 8 bits pour la gestion des protocoles et des E/S, - Protocoles de communication LonTalk dans le circuit Neuron Chip, - Transceiver propre et adapté à différents supports de transmission. LonWorks est à ranger dans la catégorie des bus de terrain. Il permet néanmoins dopérer au niveau supérieur (atelier)

100 Médium : paire torsadée, câble coaxial, courant porteur, fibre optique Topologie : anneau, bus Nombre max de noeuds : par domaine Débit brut de 2 kbit/s à 1,25 Mbit/s suivant transceiver (PLT-20 : 2kbit/s, XF : 1,25 Mbit/s) Longueur maximale dépendant de la topologie, du transceiver et du débit (de 500 m à 2700 m)

101 PROFIBUS

102 Il sagit de systèmes multi-maîtres/multi-esclaves basés sur une structure danneau logique. Laccès au bus est régi par un mécanisme hybride combinant le passage dun jeton tournant entre les maîtres et la scrutation cyclique des esclaves. Profibus spécifie les caractéristiques techniques dun bus de terrain série destiné à interconnecter des automatismes numériques répartis aux niveaux terrain et cellule. Profibus autorise le dialogue de matériel multiconstructeurs pour la transmission de données rapides (déterminisme) mais aussi pour les échanges de grandes quantités d informations (non déterministes ).

103 Profibus possède 2 protocoles de transmission ou profils de communication : -profil de communication DP (Decentralized Periphery) : le plus répandu, simple et performant, -profil de communication FMS (Fieldbus Message Specification ) : plus évolué pour des tâches complexes, Profibus utilise 3 type de transmission : - Transmission RS Transmission IEC (comme le RS 485 mais utilisée qu en process) - Transmission optique Profibus définit des profils applicatifs conjuguant profils de communication et supports de transmission adaptés à un type d application : - profil PROFIBUS-PA (process automation)

104 2) PROFIBUS DP (Distributed Periphericals) COMMUNICATION Principe de communication: Maître/Esclave Vitesse: 9.6 Kbps à 12 Mbps Taille des données: 244 octets DIVERS Profibus PA –dépend d un maître sur Profibus DP –vitesse=31.25 Kbps –Données et puissance sur le même câble PROFInet bus de terrain sous TCP/IP devrait remplacer Profibus FMS PHYSIQUES Topologie: bus ou anneau Médium: Paire torsadée, fibre Distance: –100m à 12 Mbps –1200m à 9.6 Kbps Nombre de nœuds: 127

105 Industrial ETHERNET Ethernet est une technologie de plus en plus utilisée comme solution de communication dans lindustrie. Utilisation inéluctable dans les ateliers : technologie banalisée, performante, fiable, peu onéreuse Son point faible : son indéterminisme dû à la méthode d accès CSMA/CD Mais Ethernet sera incontournable pour mettre en œuvre des programmes d automatisation répartis d autant plus que les flux de données ne cessent de croître.

106 Ethernet comme bus de terrain ? Avantages : Interface Ethernet bon marché, Compatibilité avec les solutions informatiques de gestion, Protocoles banalisés ouverts et utilisables immédiatement, Augmentation constante des débits : 10, 100, 1000 Mbit/s, Inconvénients : Câblage complexe et onéreux (hub, switch…), Connectique non adaptée au milieu industriel (RJ45 vs M12), Sécurité du réseau non assuré, Protocoles classiques non adaptés aux contraintes industrielles, Contraintes temporelles non garanties.

107 LES ALTERNATIVES ETHERNET INDUSTRIELLES 4 alternatives existent (et s affrontent) : - Initiative EtherNet/IP de Rockwell - Projet ProfiNet de Siemens - Spécification HSE (High Speed Ethernet) de Fieldbus Foundation 2 grandes catégories de solutions techniques : - Solutions qui encapsulent les données dans une trame Ethernet ou paquet TCP/UDP (Ethernet/Industrial Protocol) - Solutions qui utilisent des passerelles ou des serveurs

108

109 Protocoles de type maître/esclave Adaptés : Pour un tableau automatisé de base, ne gérant que des commandes et des comptes rendus d états. Non adaptés : - Pour des fonctions requises nécessitant la transmission de mesures : -> temps de scrutation augmente, -> changement d état d un appareil ne sera connue que lors de la prochaine scrutation. - Pour des traitements répartis : -> la centrale ne peut jouer son rôle de maître que si toutes les informations passent par elle.

110 Protocoles CSMA (Carrier Sense Medium Access) Permettent aux stations connectées au réseau d émettre spontanément uniquement en cas de besoin. Contraintes : - risque de collision, - temps de réponse non déterministe (non constant), - détection de stations en panne. Avantages : - optimisation des échanges, - réduction des coûts, - décentralisation des traitements

111 110 Exemple de Système flexible

112 111 Partie 1 : L'architecture

113 112 Les 5 machines Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Chacune des 5 machines est commandée par un automate TSX3722 Chaque automate dispose de sa propre console de programmation (environnement pédagogique) Les automates sont interconnectés grâce à un réseau local Fipway

114 113 La supervision Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Le poste de supervision est relié au réseau Fipway Un réseau bureautique relie l'ensemble des ordinateurs entre-eux

115 114 Le service "création design" Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Le poste de création du design des stylos est relié au réseau bureautique et notamment, par conséquent, au superviseur

116 115 La connexion Internet Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Internet L'unité de production est connectée à Internet

117 116 Partie 2 : La procédure

118 117 Etape 1 Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Le service "création design" compose une nouvelle gamme de produits à chaque saison, et transfert les données de production relatives à ces produits dans le superviseur

119 118 Etape 2 Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Le service "création design" prépare les pages web commerciales et met les collections à disposition du public sur le serveur Internet Serveur Internet

120 119 Etape 3 Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Les clients sélectionnent les stylos de leurs rêves sur la page web et envoient le formulaire de commande Serveur InternetOrdinateur du client

121 120 Etape 4 Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Les commandes sont enregistrées Serveur Internet

122 121 Etape 5 Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage Après organisation des campagnes de production sur le superviseur, les données relatives aux stylos à fabriquer sont transférées vers tous les automates Transfert des gammes de fabrication vers les automates

123 122 Etape 6 Machine 1 : magasin-tour Machine 2 : transfert Machine 3 : gravure Machine 4 : peinture Machine 5 : triage-assemblage La production est gérée automatiquement en fonction des stylos à fabriquer Le rôle du superviseur consiste maintenant à permettre le pilotage centralisé de l'unité de production Echanges de données de production entre superviseur et automates Echanges de données entre automates Notez qu'à aucun moment, il a fallu changer les programmes des automates : il s'agit d'un système flexible.

124 123 Rendez-vous sur le net : Vous pouvez m'adresser vos remarques : Merci de votre attention

125 124 Objectif de ce diaporama Montrer, à travers un exemple simple, la différence entre une approche intuitive d'un problème d'automatismes et une approche raisonnée

126 125 Etude de cas à titre d'exemple Soit un robot chargé de gérer un flux de pièces à travers une cellule composée de 2 postes : les pièces qui se présentent en amont de cette cellule subissent une opération soit sur le poste A, soit sur le poste B, avant de rejoindre le stock en aval. Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Avant d'élaborer un premier grafcet, observons cette cellule en fonctionnement...

127 126 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot est en attente de larrivée dune pièce au stock amont.

128 127 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Une pièce se présente. Le robot la saisit.

129 128 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Il la transporte vers un poste libre (poste A par exemple).

130 129 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot dépose la pièce sur le poste A. Entre-temps, une autre pièce sest présentée au stock amont.

131 130 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot se présente au stock amont. (Le poste A travaille).

132 131 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot saisit la pièce.

133 132 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot transporte la pièce vers le poste libre. (Poste B, puisque A est occupé)

134 133 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot dépose la pièce sur le poste B. Entre-temps, une autre pièce sest présentée au stock amont, mais plus aucun poste nest libre : le robot est en attente.

135 134 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le travail sur le poste A sest terminé. Le robot réagit.

136 135 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot se présente au poste A.

137 136 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B Le robot saisit la pièce au poste A...

138 137 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B … puis la transporte vers la sortie de la cellule...

139 138 Poste A Sortie cellule stock aval Entrée cellule stock amont Poste B … pour ly déposer. Le robot peut maintenant soccuper soit de la pièce au stock amont, soit de la pièce du poste B selon l'ordre de priorité.

140 139 Voilà comment on procède habituellement pour traiter ce type de problèmes... S : Saisir D : Déposer A et B : postes A et B Am et Av : Amont et Aval de la cellule S : Saisir D : Déposer A et B : postes A et B Am et Av : Amont et Aval de la cellule Tracer une première version Tracer la « première » action SAm Prévoir les évolutions possibles DADB SASAm DAvDB Compléter en détaillant tous les cas SAmSB DADAv Ne rien oublier SA DAv SB DAv Tracer létape initiale Corriger, puis aménager « Simplifier »

141 140 On voit que cette démarche est sans rigueur. Plusieurs phases dessais ont conduit à un tracé peu clair. Il est possible que des erreurs soient encore présentes : « a-t-on suffisamment corrigé-amélioré ? » « a-t-on prévu tous les cas ? » Que peut-on dire de cette façon de procéder :

142 141 Voilà maintenant comment la méthode proposée dans cet ouvrage traite ce type de problèmes... Définition de la fonction principale : niveau 1 Fonction principale : GERER LE FLUX DES PIECES Dans la formulation des fonctions, on veillera à utiliser un vocabulaire général, ne faisant PAS référence à la technologie employée

143 142 Décomposition de la fonction principale : niveau 2 Fonction principale : GERER LE FLUX DES PIECES La synchronisation de ces fonctions est représentée par l'épure d'un grafcet à sélection de séquence puisque le robot peut être amené soit à alimenter soit à évacuer un poste, sans qu'une quelconque chronologie soit systématique. Fonction composante X : ALIMENTER LES POSTES Fonction composante Y : EVACUER LES POSTES EvacuerAlimenter.

144 143 Décomposition des fonctions du niveau 2 : niveau 3 A ce niveau d'analyse, l'épure du grafcet est de structure linéaire puisqu'une saisie est OBLIGATOIREMENT suivie d'une dépose et inversement. SAISIR UNE PIECE DEPOSER UNE PIECE Saisir Déposer Evacuer Fonction principale : GERER LE FLUX DES PIECES Fonction composante X : ALIMENTER LES POSTES (fonction non étudiée pour l'instant) Alimenter.

145 144 Décomposition des fonctions du niveau 3 : niveau 4 SAmDADB SAm DADB L'épure du grafcet montre qu'une pièce qui a été saisie en amont de la cellule peut être déposée sur l'un des deux postes A ou B. (La sélection se fera en temps réel en fonction de leur disponibilité.) Evacuer Fonction principale : GERER LE FLUX DES PIECES Fonction composante X : ALIMENTER LES POSTES Alimenter SAISIR UNE PIECE DEPOSER UNE PIECE Saisir Déposer.

146 145 … même analyse pour la fonction EVACUER... Fonction principale : GERER LE FLUX DES PIECES Fonction composante X : ALIMENTER LES POSTES Fonction composante Y : EVACUER LES POSTES AlimenterEvacuer SAISIR UNE PIECE DEPOSER UNE PIECE SAmDADB SAm DADB SAISIR UNE PIECE DEPOSER UNE PIECE DAvSASB DAv SASB.

147 146 Synthèse : consiste à "assembler les morceaux du puzzle" Evacuer Fonction principale : GERER LE FLUX DES PIECES Fonction composante X : ALIMENTER LES POSTES Fonction composante Y : EVACUER LES POSTES Alimenter SAISIR UNE PIECE DEPOSER UNE PIECE SAmDADB SAm DADB SAISIR UNE PIECE DEPOSER UNE PIECE DAvSASB DAv SASB.

148 147 DADBDAv SAmSASB 1 On obtient la structure générale du grafcet Niveau « saisir » Niveau « déposer » Fonction Alimenter Fonction Evacuer.

149 148 DADBDAv SAmSASB 1 On complète seulement maintenant par les réceptivités Equations logiques pour gérer les priorités Selon le besoin, on augmente la flexibilité du système en utilisant des structures de données en complément du grafcet :recettes, files dattente....

150 149 Interprétation claire … la structure du grafcet reste très lisible, même si le fonctionnement de la cellule peut sembler aléatoire et compliqué Structure stable … la complexité du grafcet ne croît pas lorsque le nombre de postes augmente Mise au point progressive des conditions dévolution … au fur et à mesure de l'exploitation de la cellule, il est très commode d'affiner son fonctionnement, simplement en ajoutant ou en modifiant des conditions au niveau des réceptivités Amélioration de la flexibilité … en utilisant des structures de données de type recettes ou files d'attente, on permet une plus large flexibilité. Ce point est largement illustré dans l'ouvrage. 1 Avantages sur un plan technique

151 150 Approche raisonnée … il est intéressant de développer chez les étudiants un esprit d'analyse basé sur une approche raisonnée, en même temps qu'on favorise un état d'esprit davantage tourné vers les essais-erreurs et l'expérimentation : on montrera ainsi la richesse de la diversité des points de vue Importance de leffort danalyse … il est malheureusement de coutume chez un certain nombre d'étudiants de "foncer tête baissé" dans la programmation, surtout dans les filières ou les programmations de toutes sortes font leur quotidien (!?!). Une telle approche, basée sur une analyse des fonctions, semble en général ne pas être superflue... 1 Avantages sur un plan pédagogique


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