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TECHNOLOGIELes réseaux de terrain :

Tous les réseaux de terrain ne sont pas utilisés avecdes parts de marché équivalentes. LonWorks etInterbus en possèdent environ un tiers chacun,Profibus autour de 20 % et les autres, quelquespour cents ou moins. Aux réseaux précités, il fautajouter ce qui fait partie de la tendance actuelle, lesalternatives Ethernet industrielles que sontl'Ethernet/IP de Rockwell, le Profinet de Siemens,la spécification HSE de Fieldbus Foundation, l'ini-tiative IDA de Schneider Electric et EtherCatsoutenu par l'organisation internationale EtherCatTechnology Group.

Tous les réseaux industriels actuelssont des systèmes de communicationdédiés qui respectent le modèle d'in-terconnexion des systèmes ouvertsOSI (Open Systems Interconnection)de l'organisation Internationale ISO(International Standards Organi-sation). Rappelons que le modèle OSIest un système hiérarchique à sept cou-ches ou niveaux, numérotées de 1 à 7 :physique, liaison, réseau, transport,session, représentation et application.Ce nombre de couches est suffisantpour éviter de faire cohabiter desfonctions trop différentes dans unemême couche. Chacun de ces niveauxassure un ensemble de fonctionsspécifiques, utilise les services de lacouche immédiatement inférieure etrend un service à la couche immédia-tement supérieure. L'ISO a proposédes protocoles qui sont des langagescommuns connus par les élémentsactifs homologues de deux couches.

Différentes catégoriess'affrontentLes réseaux peuvent se classer suivantdifférentes caractéristiques, entreautres leur topologie qui peut êtrel'anneau, le bus ou l'étoile. Chacune

possède ses inconvénients et ses avantages. Latopologie en anneau assure une communicationunidirectionnelle et une régénération à chaquenœud, mais l'extension est impossible en fonction-nement, ce qui cause problème sur le réseau dèsqu'un nœud est en panne. Interbus, ProfibusDP/DAAS-I et LonWorks peuvent être disposés enanneau. La topologie en étoile comporte un nœudcentral, un nœud pouvant être ajouté en fonction-nement, mais ce réseau nécessite davantage delongueur de câble. Les réseaux cités précédemmentpeuvent être également montés en étoile en leur

ajoutant l'IEC/ISA SP50 de FieldbusFondation. La topologie de type arborescenteest un mélange entre les deux topologiesprécédentes qui permet une expansion facile,mais comporte le risque de la défaillance d'unnœud. Interbus et AS-I acceptent la topologiearborescente. Enfin la topologie en bus secaractérise par l'absence d'embranchements.Interbus, Arcnet, AS-I, Fieldbus, IEC/ISASP50 et LonWorks acceptent lemontage en bus. L'accès au vecteur de transmissioncaractérise également les réseaux deterrain. LLC (Logiciel Link Control)et MAC (Medium Access) consti-tuent les deux sous-couches de lacouche 2 du modèle OSI. La pre-mière définit les fonctions de filtragedes messages, le recouvrement deserreurs de bit et de trame et la noti-fication de surcharge. La secondeconcerne la mise en trame, la gestionémission réception, la détection et lasignalisation des erreurs de bit,l'arbitrage avec la gestion des accèssimultanés sur le vecteur de transmis-

sion pour éviter les collisions, la durée de latence etla prise en compte de la topologie. Plusieurs accèssont possibles simultanément.

L'accès par connexion se caractérise par le fait quedeux nœuds sont physiquement connectés et estdéterministe si les deux nœuds sont adjacents. Il estaussi possible de passer à travers plusieurs nœuds.Pour l'accès par interrogations successives(polling), un nœud maître consulte régulièrementles nœuds esclaves. Le système est centralisé et lacommunication est point à point (peer-to-peer). Cemode d'accès est celui des réseaux Profibus,Arcnet, WordFip, LonWorks et SDS. L'accès parmultiplexage temporel TDMA (Time Divisionmultiple Access) ou accès multiple par répartitiondans le temps est plus complexe. Il consiste enl'émission des données par tous les nœuds à unintervalle de temps précis après l'émission d'un motde synchronisation par le maître. La taille desdonnées est fixe. Cet accès présente une meilleureefficacité que celui par interrogations successives.Notons cependant que cette méthode, peu usitéepour les réseaux de terrain, est surtout utilisée pourles réseaux sans fil (GSM).

Pas d'accès exclusif,mais gestion des collisionsL'accès CSMA/CD (Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection), ou accès multiple àrépartition par code, est la méthode utilisée parEthernet. Cette technique ne donne pas un accèsexclusif au canal; il n'évite donc pas les conflits,mais gère en revanche les collisions. Le nœudémetteur mesure le niveau électrique ou la largeurd'impulsion des signaux reçus lors de l'écoute ducanal et les compare à celle des impulsions émises.

Les bus de terrain foisonnent : Arcnet, AS-I, CAN, DeviceNet, Fieldbus, IEC/ISA SP50,Interbus, LonWorks, Modbus, Profibus DP/DA,Seriplex, WorldFIP, etc. Mais Ethernet, le bus parexcellence de la connexion des ordinateurs entre eux,pourrait bien succéder tout naturellement aux nom-breux réseaux de terrain.

Le réseau de terrain Profinet de Siemens et ProfibusInternational.

Exemple de réseau de terrain complet.

Les couches ISO du réseau de terrain Ethernet IPde Rockwell.

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TECHNOLOGIEun bouillon de culture ?

Il les interprète comme une collision si leursvaleurs divergent trop. Constatant que le canal estdisponible, deux stations peuvent émettre simulta-nément à cause du temps de propagation du signal.Elles constateront rapidement qu'il y a unecollision et stopperont leur transmission. Cet arrêtrapide de la transmission permet de gagner dutemps et augmente la bande passante. Proche du précédent, un autre type d'accès, celui duréseau LonWorks, est appelé CSMA/CA, le dernieracronyme de cette abréviation Collision Avoidancesignifiant évitement de collision. Il se caractérisepar l'attente d'un blanc avant chaque émission dedonnées par un nœud. S'il détecte une collision, ilémet un message d'encombrement (jam) suivid'une trame de gestion de contention avec inter-valle de temps.

Attention aux faux jetonsL'accès par jeton s'applique au réseau conçu enanneau. Le jeton est une trame particulière quis'achemine de nœud en nœud lorsqu'il n'y a pasd'émission. Lorsqu'un nœud veut émettre, il retientle jeton au passage et émet sa trame puis rend lejeton qui poursuit sa route ! Cette connexion pointà point est déterministe. Mais les problèmessurgissent dans le cas de rupture de liaison ou deduplication du jeton. Les réseaux Profibus, Arcnetet IEC/ISA utilisent cet arbitrage à jeton. En terme d'efficacité pour un trafic élevé, toutes lesméthodes d'accès au vecteur de transmission nesont pas égales. L'accès CSMA/CD est par exemplemauvais. En cas de faible trafic, l'accès à jeton, lesCSMA/CA et CMSA/CD se révèlent bons. Lesaccès TDMA et par interrogations successives lesont en revanche moins. Tous les accès présententun bon fonctionnement déterminisme, exceptél'accès CSMA/CD.

Les réseaux les plus utilisésLonWorks est le réseau le plus utilisé dans ledomaine tertiaire. Il est l'un des rares réseaux deterrain à respecter le modèle OSI complet, de lacouche 1 à 7, à l'inverse des réseaux de terrainclassiques qui s'appuient sur les couches 1, 2 et 7.En revanche, il ne respecte aucune des normes oustandards. Sa technique est appelée Neuron. Il estbâti autour de trois microcontrôleurs constituant lecircuit NeuronChip. Ceux-ci assurent la gestion desprotocoles et des entrées-sorties, d'un protocole decommunication LonTalk (firmware en mémoiredans le NeuronChip) et d'un transmetteur adaptéaux différents supports de transmission. La taille de

transfert des données est de 228 octets et la vitessede transfert maximum, de 1,25 Mbit/s en duplexintégral. Sa longueur n'est pas spécifiée mais, selonle transmetteur, est comprise entre 500 et 2700 m. Le nombre de nœuds maximum atteint 32 385 pardomaine. Le vecteur de transmission peut être lapaire torsadée, le câble coaxial, le courant porteurou la fibre optique. Sa couche de liaison dedonnées est définie par un accès au vecteur detransmission CSMA/CD/CA, avec gestion despriorités des messages, avec ou sans acquittementde la trame et l'utilisation d'un code CRC 16 bits.Sa couche d'application est spécifique autour d'uncompilateur C.Le bus de terrain Interbus est reconnu par les nor-mes CENELEC EN50254 (1997) et DIN 19258(1993). Il appartient à la catégorie des buscapteurs/actionneurs avec la capacité d'émettre desmessages de 10 à 100 octets. Le vecteur detransmission est la paire torsadée. Les signaux sontconformes au standard RS-485 et le nombre denœuds maximum est de 256 pour 4096 entrées -sorties. Le débit utile est de 300 kbits/s avec uneversion à 2 Mbits/s et la longueur maximum peutatteindre 12,8 km. Profibus (Process Field Bus), conforme à la normeeuropéenne EN50170, est le nom du bus de terraininventé par Siemens qui est devenu, petit à petit, unstandard de communication dans le monde del'industrie. Profibus se décline en fonction desapplications: Profibus DP (manufacturier),Profibus PA (procédés), PROFIdrive pour lesentraînements d'axes et PROFIsafe. Le ProfibusDP (Decentralized Peripherals) est utilisé pour lessystèmes de démarrage de moteurs, de contrôle del'énergie et pour tous les équipements d'automa-tisme. Il remplace la transmission classique 0-20 mA. Le protocole Profibus PA (ProcessAutomation), outre d'assurer la communication del'information, assure l'alimentation en énergie deséquipements et est conçu pour une utilisation enzone 1, c'est-à-dire en atmosphère explosive. Il estbasé sur la norme IEC61158-2. Profibus DP et PROFIsafe opèrent une transmis-sion RS485 (NRZ asynchrone), avec sélection parpas de la vitesse entre 9,6 kbits/s et 12 Mbits/s, surcâble blindé à paires torsadées. Profibus DP estdestiné aux échanges rapides et cycliques. Lastation maître lit les entrées des stations esclaves etécrit leurs sorties en moins de 10 ms, soit une duréeinférieure à celle du déroulement du programme del'automatisme. Le nombre de stations autorisé estde 127 avec 32 par segment. La distance dépend dela vitesse de transmission: 100 m pour une vitessede 12 Mbits/s; 1,5 Mbits/s sur 400 m et 1000 mjusqu'à 187,5 kbits/s. L'emploi de répéteur autorisedes distances jusqu'à 10 km. Profibus PA est basésur une transmission Manchester biphase syn-chrone, à 31,25 kbits/s en mode courant.

J. P. Feste

La seconde partie de l’article de Jean-PierreFeste sur les Réseaux de Terrain sera éditée

dans le numéro de Décembre / Janvier du Monde de l’Industrie.

Fonctionnement du réseau Ethercat.

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