RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS ARS3 : Automatismes Industriels et réseaux Département GEII – Année universitaire 2011-2012

Objectifs Comprendre les méthodes et techniques générales de transmission de données employées dans les réseaux de communications

Introduction

Qu’est ce qu’un réseau? Un réseau est un ensemble de moyens qui permettent la communication entre des processus (ou taches) répartis sur des matériels informatiques de tout type. Cet ensemble est constitué d ’au moins un support de transmission pour l ’acheminement des signaux et de protocoles de communication pour assurer la cohérence des échanges.

Qu’est ce qu’un réseau Industriel Un réseau industriel, ou réseau de terrain ou bus de terrain, est un réseau localisé dans un atelier de production et qui par conséquent doit supporter les contraintes environnementales de l’industrie (poussière, vibration, température, rayonnement électromagnétique, …) .

Qu’est ce qu’un automate? Un automate est un microcontrôleur, dédié au monde des automatismes, associé à un bloc d’alimentation et à un bloc d’entrée sortie. Langage adapté (grafcet, ladder, list) Environnement dur => Boitier résistant et étanche.

Qu’est ce qu’un automatisme industriel ? Un automatisme industriel est l ’association d ’une partie commande (automate+module E/S) et d ’une partie opérative (actionneur, moteur, capteur, etc.) dans le but d ’apporter une valeur ajoutée à un produit.

Automatisme et réseau? Pourquoi mettre un réseau dans les automatismes industriels? Quelles conséquences sur les constituants du systèmes ?

1 Historique et contraintes des bus

Historique (<1980) Évolution des structures de contrôle/commande des automatismes programmés <1980 Automatismes indépendants Gestion indépendante des UC Contrôle centralisé Coût d’étude et de mise en œuvre élevés. Durée de mise en œuvre et de maintenance accrue. Distance de câblage (qq kilomètres) Autant de câble que de capteur/actionneurs

Historique (>1985) 1985 Automatismes en réseau Gestion coordonnée des UC Contrôle distribué Distance de câblage (qq dizaines mètres)

Historique (>1993) 1993 Automatismes hiérarchisés Gestion coordonnée des UC Contrôle distribué Distance de câblage (qq mètres)

Historique (>1996) 1996 Automatismes répartis et distribués en réseau Gestion hiérarchisée de la commande Contrôle distribué Les capteurs/actionneurs sont directement sur le réseau Distance de câblage analogique E/S  0

Conclusion Objectifs des réseaux terrains OBJECTIFS DE L’ENTREPRISE Réduire les coûts (étude, câblage, mise en œuvre,..) Améliorer la maintenance Fiabiliser les informations Permettre le temps réels Réseaux non propriétaire Interchangeabilité interopérabilité CONTRAINTES Technicité complexe Télé-alimentation des capteurs Surcoût du capteur réseau

Contraintes industrielles Hétérogénéité des équipements Ouverture/non propriétaire interoperabilité interchangeabilité Environnement "dur" Immunité aux parasites / connectique Rapidité de fonctionnement Temps réel/déterminisme Sûreté de fonctionnement Sûreté / redondance

Contraintes industrielles Non propriétaire Qualité d'un réseau à pouvoir accepter des équipements provenants de différents constructeurs interopérabilité Capacité d'un équipement à pouvoir réaliser des actions coordonnées avec d'autres équipements au moyen d'un réseau interchangeabilité Capacité d'un équipement à pouvoir remplacer un autre équipement par simple remplacement physique sans reconfiguration ou adaptations nécessaires

Les réseaux dans un système de production 2 Les réseaux dans un système de production

Concept SIP la pyramide SIP (Système Intégré de Production) offre une structure hiérarchisée des différents niveaux de l'entreprise. CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Système d’information de l’entreprise Concept SIP Niveau 4: Système d’information de l’entreprise Gestion globale de l’entreprise Importance du temps de réaction Taille de l’information Niveau 3: la gestion de production Ordonnancement et suivi de production Contrôle qualité et suivi des moyens Niveau 2: la supervision Conduite, optimisation et surveillance BUS DE TERRAIN Niveau 1: la commande (les automates) Traitement et dialogue: la commande Configuration et diagnostique: la maintenance Niveau 0: les constituants Commander et protéger: les pré actionneurs, Actionner et mesurer : les capteurs et actionneurs

Généralités sur les réseaux 3 Généralités sur les réseaux

Un réseau doit permettre l’échange d’information entre différents équipements. Plusieurs questions se posent alors: Quels types d’information? Sur quel support physique transite l’information? Sous quelle forme présenter l’information sur le support?

3.1 Quelles informations?

Quelles informations? Au niveau capteur, l’information peut être de type: analogique (mesure de température, vitesse, etc.), TOR (Tout Ou Rien) Au niveau automate, elle sera de type: texte, numérique, … Aux niveaux supérieures: Texte, Fichiers, Images, etc.

Quelles informations? Système décimal : 10 symboles 0,1,2,…,9 Rappel sur la représentation numérique des données Système décimal : 10 symboles 0,1,2,…,9 Système binaire : 2 symboles 0,1 Système hexadécimal : 16 symboles 0,1,2,…,9,A,B,C,D,E,F Avec 1 bit , on transmet 0 ou 1 Avec 1 OCTET (8 bits), on transmet un nombre NON SIGNE entre 0 et 255 Un nombre SIGNE entre -128 et +127 Avec 1 MOT (16 bits), on transmet un nombre NON SIGNE entre 0 et 65535 Un nombre SIGNE entre -32768 et +32767

Quelles informations? représentation numérique des textes Chaque caractères est codée séparément On utilise le code ASCII sur 8 bits Par exemple, la lettre 'B' est codée Par le code HEXADECIMAL $42 soit 66 en décimal soit 0100 0010 en binaire

Quel format pour la transmission de l’information ? 3.2 Quel format pour la transmission de l’information ?

Transmission des données 2 contraintes se posent: Sur un réseau toutes les informations transitent sur le même support et doivent donc avoir le même format: par conséquent toutes les informations seront codées sous formes numérique (capteur avec conversion analogique/numérique intégrée). L’objectif du réseau étant de réduire le coût de câblage, on optera pour une liaison série.

Transmission des données Transmission parallèle (Rappel) Tous les bits sont transmis simultanément Des lignes supplémentaires permettent de : valider la transmission, …

Transmission des données BILAN transmission parallèle AVANTAGE : rapidité La transmission des données Requiert qu'une durée Tbit ICONVENIENT : poids Il faut au moins 8 fils pour transmettre 1 octet Exemples Bus de µc Bus Centronic (imprimante) IEEE 485

Transmission des données Transmission sérielle les N bits de données sont transmis successivement sur un seul fil

Transmission des données Transmission sérielle La transmission à lieu bits à bit INCONVENIENT : lenteur Requiert au moins 8 fois la durée Tbit AVANTAGE : matériel Une seule ligne de transmission Facilité de connexion de plusieurs périphériques Exemple: Communication RS232, Ethernet, USB Tous les bus de terrain Tbit

3.3 Sur quel support?

Support de transmission Caractéristique des média Le support physique de communication est le plus souvent une paire de fils torsadés Son coût est relativement faible Non blindé Débit max : qq dizaines. Mbits/s Dist. Max. : qq centaine de mètres Sensible aux perturbations électromagnétique Blindé Débit max : env. 100 Mbits/s Dist. Max. : env . 1km

Support de transmission Caractéristique des média Le câble coaxial offre des performances supérieure mais il est difficile à mettre en œuvre (rigidité, etc.) La fibre optique est intéressante sur le plan de la CEM mais sa mise en œuvre est difficile au niveau atelier Les ondes radio sont parfois utilisées

Support de transmission Conducteur électrique Définition L’impédance caractéristique Zc d’une ligne correspond à l’impédance qu’aurait la ligne non fermée si elle possédait une longueur infinie Caractéristiques du câble R’ = résistance linéique [/m] L’ = inductance linéique [H/m] G’ = conductance linéique [1/m] C’ = capacité linéique [F/m]

Support de transmission Conducteur électrique Une ligne introduit donc 2 types de défauts Atténuation [en dB/m] – le signal subit une décroissance exponentielle le long de son trajet Dispersion – un signal carré arrive déformé au bout de la ligne, sous l’effet du déphasage En plus, si une ligne n’est pas fermée par son impédance caractéristique Zc, il se produit un phénomène de réflexion qui peut perturber la communication

Support de transmission Le signal se déplace à une vitesse de : 2/3 c (dépend du type de câble) c = vitesse de la lumière 3.10^8m/s soit environ 200 000 km/s ou 200m/µs Dispositif expérimental Câble coaxial 50 ohms , longueur 100m Générateur envoie une impulsion de 0.1µs,1V toutes les 3µs

Support de transmission 1 ère expérience : l'extrémité B du câble est ouverte il n'y a pas de TERMINAISON 1er impulsion 100ns 2ième impulsion 100ns Le signal met 0.5µs pour arriver en B L'impulsion réfléchie en B arrive en A au bout de 1µ Elle repart en B où elle arrive au bout de 1,5µs 1V Ch2 1V 250ns Retour de la réflexion en A Arrivée au point B 2ième arrivée au point B

Support de transmission 2ième expérience : une résistance de 50 est placée en B il y a ADAPTATION 1er impulsion 100ns 2ième impulsion 100ns Le signal met 0.5µs pour arriver en B il n'y a plus d'impulsion réfléchie en B Arrivée au point B 500mV Ch2 1V 250ns

Support de transmission Distance de communication La distance maximale recommandée est de 1.200 m pour un débit de transmission de 100kbit/s. Les circuits d’entraînement acceptent les débits de transmission jusqu’à 10 Mbits/s, à 10m

Mettre en place la communication? 3.4 Mettre en place la communication?

Nous allons ici nous intéresser à la mise en place de la communication entre plusieurs équipements en utilisant un bus série. Nous ferons alors apparaitre différents niveaux de difficultés qui nous permettrons d’aboutir au modèle OSI de l’ISO: Adaptation au support de transmission, Synchronisation des données, Communication entre plus de 2 équipements, Etc.

Adaptation au support de transmission 3.4.1 Adaptation au support de transmission

Transmission des données Moyens pour transmettre l'information (numérique) OBJECTIF: trouver une correspondance entre un signal binaire et un signal électrique Illustration : '0' '1' +5V 0V

Transmission des données RS232 2 lignes de transmission TX et RX+1 fil de référence CARACTERISTIQUES Longueur max : 50 mètres débit : 20Kbits/s  115 000Kbits/s tension : entre -25V et +25V

Transmission des données RS485 Le signal est véhiculé sur 2 fils mais n ’est pas référencé par rapport à la masse Signal différentiel message activation du module pour parler sur la ligne CARACTERISTIQUES Longueur max : 1200 mètres débit : 12Mbits/s tension : entre -20V et +20V Peu sensible aux parasites qui apparaissent généralement simultanément sur les deux lignes Va et Vb (mode communs)

Transmission des données RS485 Signal binaire à transmettre ‘ 1 ’ ‘ 0 ’ ‘ 0 ’ ‘ 1 ’ Va Tension sur la ligne A 4V Vb Tension sur la ligne B 4V Vab tension différentielle 4V -4V

Transmission des données Adaptation au support Boucle de courant 0/20mA La boucle est parcourue par un courant de 20 mA obtenu à partir de la tension d'alimentation (12 ou 24 V). Dans le cas d'une ligne normale (20 mA : état de repos de la ligne), la perte par poste connecté est d'environ 1,5 V. Les émetteurs des postes esclaves sont le plus souvent en série avec les récepteurs du poste maître (ligne normale, 20 mA au repos).

Transmission des données Adaptation au support Boucle de courant 0/20mA Les émetteurs des postes esclaves peuvent être en parallèle avec les récepteurs du poste maître. L'état de repos de la ligne est alors 0 mA.

Transmission des données Adaptation au support Les réseau locaux utilisent la technique de transmission en bande de base Suite de bits {ai} Suite de symboles {di} EMETTEUR RECEPTEUR

Transmission des données Adaptation au support Tout signal périodique peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux (décomposition en série de Fourier) Définition La largeur de bande caractérise les fréquences utilisées par un signal La bande passante d’un support de transmission est la bande de fréquence dans laquelle les signaux transportés sont reçus avec une amplitude suffisante

Transmission des données Adaptation au support Intérêt(s) Signal sans composante continue Lignes avec séparation galvanique 1 Enrichir le signal en impulsions pour faciliter la récupération de l'horloge (traiter les longues suites de '0' ou '1') 2 Concentrer ou déplacer le spectre de puissance sur une plage adaptée à la transmission 3

Transmission des données Adaptation au support NRZ (Non Return to Zero) correspondance '0' '1' -A +A

Transmission des données Adaptation au support NRZ (Non Return to Zero) Composante continue :: nulle Bande passante :: 1/Tm Récup. Horloge :: Pas facile (il peut y avoir de longues suites de '0' ou de '1') illustration Norme RS232,RS422,RS485

Transmission des données Adaptation au support Biphasé ou Manchester correspondance '0' '1'

Transmission des données Adaptation au support Biphasé ou Manchester Composante continue :: nulle Bande passante :: 2/Tm Récup. Horloge :: Aucun problème ( au moins 1 transition par moment) illustration ethernet

Transmission des données Adaptation au support Les bauds et les bits par seconde Un paramètre important dans une transmission d'information est la bande passante Correspond à un nombre d'états électriques par seconde BAUDS Correspond au nombre d'informations transmises chaque seconde sur le réseau BITS

Transmission des données Adaptation au support Les bauds et les bits par seconde Tm = 1ms D= 1 kbit/s R = 1 kbaud D= 2 kbit/s R = 1 kbaud

Synchronisation des données 3.4.2 Synchronisation des données

Transmission des données La transmission sérielle ne fonctionne que si le récepteur connaît toutes les REGLES utilisées par l'émetteur Rythme de transmission des bits Convention de codage (MSB ou LSB en premier ?) Modulation (niveau de tension, de courant) Il faut faire une synchronisation entre l'émetteur et le récepteur Il faut reconnaître quel est le 1er bit d'une données Il ne faut pas échantillonner lors d'un changement de bit

Transmission des données Exemple transmission asynchrone RS232 Chaque donnée comporte des bits supplémentaires START D0 D7 STOP repos ligne H recept H emit synchro 1 bit de START, toujours à 0 pour la synchronisation 7 ou 8 bits de données 1 bit de parité (éventuel) pour la détection d'erreur(s) 1 (ou 2) bits de STOP, toujours à 1 Au repos, la ligne reste à 1

3.4.3 Sens de Communication

Communication Sens de propagation des données La liaison série est : Simplex : toujours dans le même sens duplex : bidirectionnel, 2 canaux Half-duplex : bidirectionnel, 1 canal La liaison série est : Half Duplex

3.4.4 Adressage et trame

Adressage et Trame Tel que définie jusqu’à maintenant notre bus série ne permet la communication qu’entre 2 équipement, on parle de communication point à point. BUS série Que se passe t’il si on rajoute un 3ème équipement sur le bus? BUS série

Adressage et Trame BUS série Les 2 automates reçoivent la même information, mais qui doit la prendre en compte? Comment faire pour indiquer quelle entité est concernée par l’information?

Adressage et Trame Il faut attribuer un nom, une ADRESSE, à chaque entité et la rajouter dans le message. BUS série @auto1 @auto2 Le message prend alors l’allure suivante: @adresse données On parle alors de TRAME.

3.4.4 Mode d’accès à la voie

Mode d’accès à la voie BUS série @auto1 @auto2 Toutes les entités « parlent » sur le même média. Mais tout le monde ne peut pas parler en même temps, sinon il y a COLLISION. Il faut donc se partager le temps de parole: c’est le mode d’accès à la voie.

Mode d’accès à la voie Suivant la topologie du réseau, on trouve plusieurs procédés: La communication maitre esclave, La méthode du jeton (surtout dans la topologie en anneau), Le CSMA/CD: détection de porteuse et détection de collision sur internet par exemple.

Mode d’accès à la voie Communication maitre - esclave Dans l’architecture, il y a un et un seule maitre et plusieurs esclave. C’est le maitre qui distribue la parole. Un esclave ne répond que si le maitre l’a interrogé. M BUS E E E E Topologie en bus

Mode d’accès à la voie Technique du jeton Le jeton est un message particulier que doit avoir reçue une station pour prendre la parole. Quand celle-ci a fini d’émettre, elle refait circuler le jeton sur la boucle. Station qui possède le jeton Anneau

Mode d’accès à la voie CSMA: Carrier Sens Medium Acces C’est une méthode d’accès aléatoire. J’essaie de parler et si le support n’est pas libre alors je réessaie un temps aléatoire plus tard. Nous reviendrons dessus avec le réseau Ethernet.

Communication sur un réseau 3.5 Communication sur un réseau le model OSI

Modèle OSI Comme nous venons de le voir, la communication entre plusieurs entités d’un réseau n’est pas si simple. En effet, nous avons vu qu’il faut: Adapter la donnée au support PHYSIQUE de transmission et SYNCHRONISER les données, Assurer la LIAISON entre les deux bonnes entités du réseau Etc. L’ISO a décomposé chaque problème et a mis en place le modèle OSI (Open System Interface) pour établir la communication sur un réseau.

Modèle OSI Ce modèle, qui comporte 7 couches, décrit les concepts utilisés et la démarche suivie pour normaliser l'interconnexion de systèmes ouverts. Les couches basses (1, 2, 3 et 4) sont nécessaires à l'acheminement des informations entre les extrémités concernées et dépendent du support physique. Les couches hautes (5, 6 et 7) sont responsables du traitement de l'information relative à la gestion des échanges entre systèmes informatiques. 7-Application 6-Présentation 5-Session 4-Transport 3-Réseau 2-Liaison 1-Physique Couches hautes Couches basses

Model OSI 7-Application 6-Présentation 5-Session 4-Transport 3-Réseau Point de contact entre l'utilisateur et le réseau. Apporter à l'utilisateur les services de base offerts par le réseau, comme par exemple le transfert de fichier, la messagerie... 7-Application 6-Présentation Traduit les données pour que les 2 systèmes puissent communiquer entre eux et se comprendre. 5-Session Assure la continuité de la connexion Cette couche est responsable du bon acheminement des messages complets au destinataire. 4-Transport Assure l ’acheminement de l ’information à travers le réseau (routage) 3-Réseau Assure la synchronisation et le contrôle des données (crc, ack,etc.) 2-Liaison 1-Physique Présentation physique des données sur le média (bit => tension)

Model OSI Encapsulation Données Données Application Application HA Présentation HA Données HA HP Données Présentation HA HP Données HP HS HA Données Session Session Transport HP HS HA Données HP HS HA Données HT Transport Réseau HP HS HA Données HT HP HS HA Données HT HR Réseau Liaison HP HS HA Données HT HR HP HS HA Données HT HR HL Liaison Physique HP HS HA Données HT HR HL Physique