Cours Bus de Terrain

LES BUS DE TERRAIN

DIOU Camille

Matrise EEA 20012002

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LES BUS DE TERRAIN

PlanPartie I Introduction Partie II Les bus de terrain Partie III Mthodes daccs au mediumDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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Pourquoi les bus de terrain ?

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INTRODUCTION

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Bus de terrain BUS : conducteur(s) commun(s) plusieurs circuits permettant lchange de donnes RSEAU : ensemble de lignes de communication qui desservent une mme unit gographique TERRAIN : zone limit gographiquement (usine, vhicule)

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INTRODUCTION

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Bus de terrain Systme de communication numrique entre plusieurs dispositifs, ou entre un dispositif et ses priphriques (mmoire, capteurs, actionneurs) BUT : remplacement des boucles analogiques

Dcentralisation du contrle Interoprabilit Intelligence dporte Diminution des cots Augmentation de lefficacit et de la qualit

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INTRODUCTION

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Avantages En bref Rduction des cots dinstallationMoins de cblage Rduction du temps dinstallation Moins de matriel ncessaire Complexit moindre Maintenance plus aise Outils de test ddis Flexibilit dextension

Rduction des cots de maintenance

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INTRODUCTION

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Avantages Performances accruesCommunications numriques Donnes disponibles partout Accs direct entre deux quipements Structure distribue Interoprabilit importante grce la standardisation Modlisation du rseau :Topologie physique vue logique

standardisation matrielle et logicielleDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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INTRODUCTION

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Inconvnients Dvelopper les connaissancesAccs au bus Gestion des erreurs Topologie du rseau, longueur, dbit Support physique

Investissement en quipement Compatibilit pas assure entre fournisseurs Choix entre technologies propritaires ou standards

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INTRODUCTION

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Historique Boucle de courant 4-20 mABoucle analogique Pas compltement normalise

Capteur

metteur Rcepteur Fils de la boucle

Alim. de lmetteur

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INTRODUCTION

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Historique Normalisation des bus de terrain1960 : boucle analogique 1970 : processeur : contrle centralis 1980 : contrle distribu, capteurs intelligents 1994 : WorldFIP (World Factory Information Protocol, Europe) et ISP (Interoperable System Project, E.-U.) fusionnent : FF (Fieldbus Foundation)1992 : dfinition de la couche physique 1998 : couches liaison, application : non abouti

Apparition de solutions propritaires devenues standards de fait (Interbus, ASI, Lonworks)Matrise EEA 20012002

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INTRODUCTION

4WorldFIP

HistoriqueISPIEC : International Electrotechnic Commission ISA : Instrument Society of America OSI : Open System Interconnection ISO : International Standardization Organization

FF

ISA

IEC

Comit Fieldbus IEC/ISA SP50

Profibus - ISP (dissident)

Cohabitation standards de fait et standards internationaux Compatibilit ? Choix ?DIOU Camille Matrise EEA 20012002

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INTRODUCTION

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Historique

Contrle direct

Contrle distribu

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Un peu de technique

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DfinitionBus de terrain = bus de communication industriels Classement selon complexit dcroissante :

Bus dusine : rseau local industriel ethernet MAP (Manufacturing Automation Protocol) ou TOP (Technical and Office Protocol) Bus de terrain (Fieldbus) Bus bas niveau (capteur/actionneur)

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DfinitionBus de terrainTrame : 10 octets 256 octets Temps de raction : 1 ms 10 ms Coopration de tous les nuds (matre/esclave ou multimatres) Accs au niveau infrieur (capteur/actionneur) Nuds intelligence limit ou nulle Temps de raction primordial Nombre de donnes limitMatrise EEA 20012002

Bus capteur/actionneur DIOU Camille

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Complexit des quipementsComplexit des quipement

Bus de terrain WorldFIP-ISP Bus senseur/Acteur Contrle E/S Capteur/ actionneur (Interbus) BITDIOU Camille

CAN

OCTETMatrise EEA 20012002

BLOC

Flot dinformation

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Couches OSISystme de communication ddi :Respect du modle OSI7 6 5 4 3 2 1 Paquet Trame Bits Message

Application Prsentation Session Transport Rseau Liaison PhysiqueDIOU Camille

Couche hautes 5-7 :Charges du traitement des donnes (prsentation,cryptage)

Couche basses 1-4 :Charges du transport des donnes (codage, reprsentation des donnes)Matrise EEA 20012002

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Couches OSICouche 1 : Physique Application

Prsentation Session Transport Rseau Liaison PhysiqueDIOU Camille

Mode de reprsentation des donnes Spcifications mcaniques et lectriques Synchronisation, dtection des erreurs au niveau bit


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Couches OSICouche 2 : Liaison de donnes Application


1er niveau de contrle de la transmission : service de transmission scurise Structuration des donnes sous forme de trames Dtection et correction (retransmission) des erreurs dtectes par le niveau 1


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Couches OSICouche 3 : Rseau Application


Structuration en paquets Routage Acheminement des donnes Gestion de la congestion dans le rseau


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Couches OSICouche 4 : Transport Application


Gestion du dialogue entre deux nuds actifs Formatage des donnes sous forme de message ( niveau 3) Deux modes de connexion :Mode connect : connexion de bout en bout scurise avec multiplexage de voies possible Mode non connect : service datagramme (non fiable)


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Couches OSICouche 5 : Session Application


Structuration du dialogue dans la session tablie Masquage des problmes de transmission


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Couches OSICouche 6 : Prsentation des donnes Application


Prsentation des donnes manipules par les applications (cryptage, format, compression)


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Couches OSICouche 7 : Application Application


Interface entre lutilisateur et le service de communiation Dfinition dapplication normalises (messagerie)


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RSUM

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Couches OSI et bus de terrainCouches 3 6 vides :Utilisateur Application 7 6 Supervision rseau 5 4 3 2 1


pas besoin dinterconnexions vers un autre rseau gain de performances Le standard ISA SP50 introduit

Une couche utilisateurStratgie de contrle global distribu Base de donnes rpartie

Un bloc de supervisionConfiguration, monitoring, contrle des ressourcesMatrise EEA 20012002

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Topologie des rseauxDiffrentes topologies possibles

Anneau

Arbre

toile

Bus

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Topologie des rseauxTopologie en anneau

Communication unidirectionnelle Rgnration chaque nud Extension impossible en fonctionnement Problme si un nud tombe en panne : chaque nud est un point faible27

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Topologie des rseauxTopologie en toile

Nud central Ajout dun nud possible en fonctionnement Plus de cble Nud central : passage oblig entre 2 machines point faible

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Topologie des rseauxTopologie en arbre

Compromis entre les deux solutions prcdentes Dfaillance dun nud possible sans perturber le rseau Extension aise

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Topologie des rseauxTopologie en bus

Pas de branche Tous les nuds sont connects directement via le bus

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La couche 2 en action

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MTHODES DACCS AU MEDIUM

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Importance de la couche 2Couche 2 (Liaison) divise en 2 sous-couches :LLC (Logical Link Control)Filtrage des messages Recouvrement des erreurs bit/trame Notification de surcharge

MAC (Medium Access)Mise en trame, gestion mission/rception Dtection/signalisation erreur bit Arbitrage (gestion des accs simultans : collisions) Temps de latence Topologie

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Accs par connexion

Protocole des rseaux actuels 2 nuds sont physiquement connects Possibilit de passer travers plusieurs nuds Dterministe si les deux nuds sont adjacents

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Accs par polling Matre

Esclave 1

Esclave 2

Esclave 3

Nud matre consulte rgulirement les esclaves Systme centralis matre/esclave Communication possible entre 2 nuds via le matre Point faible : matre Peu efficace Exemple : ProfibusDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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Accs par multiplexage temporelMatre

Esclave 1

Esclave 2

Esclave 3

Sync

Matre

Escl.1

Escl.2

Escl.3

Sync

Time Division Multiple Access mission mot de synchronisation par matre mission des donnes par tous les nuds des intervalles de temps prcis (IT) Taille des donnes fixe Meilleure efficacit que le pollingDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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Accs par jeton sur anneaujeton 1 2

Topologie anneau : circulation dun trame particulire (jeton) de nud en noeud mission des donnes : capture du jeton, mission, puis libration du jeton Connexion point point, dterministe Pbm si rupture de liaison : perte ou duplication du jetonDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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Accs par dominance bitBinary countdown Attente dun blanc avant dmettre 1 identificateur par trame (ex.: identificateur nud) Bit dominant ou rcessif Accs multiple possible Contention : arbitrage sur les bits de lidentificateur Introduction de priorit Efficacit importante Arbitrage : longueur max du rseau Exemple : CANDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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Accs par CSMA/CDNoeud 1 Collision Noeud 2 Noeud 3

Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection Attente dun blanc avant dmettre Accs multiple possible Plusieurs missions simultane : dtection de collision Contention : arbitrage par dlai dattente alatoire Problme si charge leve sur le rseau Exemple : EthernetDIOU Camille Matrise EEA 20012002

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Accs par CSMA/CANoeud 1 Collision Noeud 2 Noeud 3

Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance metteur

Si le canal est libre pendant un temps DISF, transmission trame complte (pas de dtection de collision) Si le canal est occup, retard binaire (binary backoff)

Rcepteur :

Si la rception est OK, retourne ACK aprs un temps SIFSMatrise EEA 20012002

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