LP MEEDD UE2D –Automatisme, Réseaux et Bus de terrain …neanne.univ-tln.fr/IMG/pdf/Cours_UE2D-ARB_LPMEEDD_2019... · 2020. 1. 20. · Interconnecter les équipements d’automatisation

UE2D – Automatisme, Réseaux et Bus de terrainLP MEEDD

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Automatismes, Réseaux et Bus de Terrain

[email protected]

Applications à la GTB, GTC et au suivi de production d’énergie


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CH1 : Rappels

1.1 – Définitions

1.2 – Besoins

1 – Introduction

2.1 – E/S TOR et Analogiques

2.2 – Codage des données numériques

2 – Traitement de l’information

3.1 Codage électrique et modulations

3.2 Bus de terrain

3.3 Ethernet – TCP/IP

3 – Transmission de données


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1 - Introduction1-1 – Définitions

• GTB : La Gestion Technique des Bâtiments (BMS en Anglais : « Building Management System ») vise à gérer et à superviser l'ensemble des équipements qui y sont installés, assurant les fonctions de :

confort (optimisation de l'éclairage, du chauffage),

gestion d'énergie (programmation),

sécurité (comme les alarmes)

communication (comme les commandes à distance ou l'émission de signaux destinés à l'utilisateur) que l'on peut retrouver dans les maisons, les hôtels, les lieux publics...


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• Télegestion :L'archivage et le suivi en temps réelles desdonnées de production permettra une

estimation au plus juste, et permettra aupropriétaire de la centrale de production deconfronter la production réelle au prévisionnel.

La détection précoce d'un défaut de production, ou d'une panne sur un composant, permettra une intervention optimale des équipes de maintenances, et limitera ainsi les pertes de production.

Les technologies mises en jeu feront notamment appel à des réseaux de communications adaptés, ainsi que des serveurs Web embarqués dans les équipements de production (les onduleurs par exemple) ou indépendants.

• Télemaintenance :


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1-2 – Besoins :

• Acquisition des données :Détecter les signaux TORMesurer les grandeurs délivrées par les capteurs (+/- 10V ; 4-20mA)

• Traitement de l’information :

Assurer les fonctions d’automatisation : Régulation (chauffage, éclairage…) Gestion de l’énergie (délestage, gestion des sources…) Gestion horaire / occupation ….

• Communication / Transmission :Raccorder capteurs et actionneurs intelligents à un busAssurer des communications sans fil Interconnecter les équipements d’automatisation au réseau local de

supervisionPermettre un accès internet / GSM


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2 – Traitement de l’information

2-1 – Les types d’E/S• TOR : l'information ne peut prendre que deux états (vrai/faux, 0 ou 1 …). C'est le

type d'information délivrée par un détecteur, un bouton poussoir …

• Le standard suivant est le plus couramment adopté : 24V = ‘1’ ; 0V=‘0’

Type PNP Type NPN


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• Analogiques :

l'information est continue et peut prendre une valeur comprise dans une plage biendéterminée. C'est le type d'information délivrée par un capteur (pression, température …).

Une grandeur analogique (tension, courant...) doit être convertie en grandeur numérique parune carte d'entrée spécifique pour pouvoir être traitée par le programme automate.

• Numériques :

l'information est contenue dans des cases mémoires contenant en général 16 bits appelés « mots ».On doit alors définir la façon dont ces bits sont utilisés pour coder une valeur.

Note : Plusieurs cases mémoire peuvent être utilisée pour coder une valeur numérique.


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2-2 – Codage des données numériquesDans tous les systèmes informatiques, les informations sont stockées et transmises sous forme binaire, c’est-à-dire composée de bits.

Un codage de ces bits doit donc être utilisé pour donner un sens aux données qu’ils constituent.

• Nombres entiers :Dans un nombre entier, les N bits formant le nombre à coder permettent de décrire 2N combinaison formant chacune une valeur entière.On distingue 2 cas selon que ces valeurs sont strictement positives ou relatives :

Représentation Non-Signée


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Représentation Signée :

Représentation Hexadécimale : Elle est utilisée pour représenter de manière compacte lesValeurs binaires.


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• Nombres flottants :


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3 – Transmission des données

3-1 – Codage électrique et modulations

Les informations numériques traitées par les équipements communicants circulent entre ceux-ci, à travers des canaux, le plus souvent filaires, mais également sans-fils.

Ces informations doivent donc prendre une forme physique :

- Tension

- Courant

- ondes électromagnétiques

Les caractéristiques (forme, fréquence, amplitudes etc...) des signaux ainsi véhiculés vont être choisies afin d'obtenir des propriétés intéressantes pour la communication à établir (exemples : immunité aux parasites, vitesse de transmission etc...).


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NRZ : Non retour à zero


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RZ : Retour à Zéro


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Manchester :


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• Exercice :

La valeur « -55 » est codée en représentation signée sur 8 bits. Elle est transmise sur une liaison via un codage Manchester, bit de poids fort en tête.

• Représenter la valeur binaire correspondante.

• Tracer le chronogramme de la tension sur la liaison considérée.


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• ASK : Amplitude Shift Keying

Dans l'exemple ci-contrela porteuse est multipliée par 1si le bit à transmettre est 1ou par 0,5si le bit à transmettre est 0

• OOK : On Off Keying

C'est une modulation tout ou rien

Dans l'exemple ci-contrela porteuse est multipliée par 1si le bit à transmettre est 1ou par 0si le bit à transmettre est 0


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• FSK : Frequency Shift Keying

Dans l'exemple ci-contre la porteuse a une fréquence F1 si le bit à transmettre est 1 et F0 = 2 x F1 si le bit à transmettre est 0 :

Il existe bien d'autres techniques de modulations et de codage électrique des données.


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3-2 – Bus de TerrainUn bus de terrain est un canal de communication reliant plusieurs équipements électroniques sur une zone géographique donnée (usine, voiture, bâtiment, centrale électrique etc...).

Il s'agit généralement d'une communication filaire, à travers laquelle les équipements de terrain échangent des données numériques transmises en série (afin d'éviter la multiplication des fils).

On trouve des bus dédiées aux applications automobiles (bus CAN), industrielles (Profibus...), immotiques (KNX …) etc...Chaque bus communique selon un protocole bien défini censé répondre au mieux aux besoin du terrain considéré.On parle de « topologie » pour désigner la façon dont les équipements de terrain sont reliés entre eux pour former un réseau :


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3-3 – Ethernet – TCP/IPLa communication de terrain ainsi que la supervision passe de plus en plus par TCP-IP afin d'interagir avec le réseau informatique, et éventuellement avec internet.

Nous allons donc présenter les rudiments d'ethernet et de l'adressage IP, sur lesquels sont basés les réseaux informatiques de petite (LAN : Local Area Network) et grande (WAN : World Area Network) envergure.

Ethernet est une technologie pour les réseaux locaux développée au début des années 70 à Xerox PARC (Palo Alto Research Center). Elle est standardisée en 1978 par un consortium DIX regroupant Digital, Intel et Xerox, puis normalise par l'IEEE, sous le numéro 802.3 et 802.2.

• Couche physique :• Débit 10 Mbps• Codage Manchester• Voltage (+0,85V/-0,85V)

- 1995 passage au débit 100Mb/s et Auto-négociation 10/100Mb/s- 1998 passage au débit 1Gb/s


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Format d’une trame Ethernet :


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Sur Ethernet chaque station est repérée par une adresse unique au monde.

Cette adresse (on parlera de MAC address) est représentée sur 6 octets :

Ex: 00-00-0C-F2-00-12 est l'adresse d'une carte CISCO

FF-FF-FF-FF-FF-FF est une adresse de diffusion, c-a-d toutes les machines sur le sous réseau sont considérées comme destinataires.


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Le protocole IP ("Internet protocole") assure l'acheminement des messages d'une machine à une autre. La trame IP est contenue dans les données de la trame ethernet. C'est donc l'adresse IP qui va être utilisée dans l'acheminement des paquets de données à travers le réseau.

L'adresse IP est composée de 4 octets, généralement notés sous forme de 4 nombres décimaux séparés par un point (notation décimale pointée).

→ Exemple : 10.4.45.12

Il existe 3 classes d'adresses IP, correspondant à une étendue (nombre de machines connectées) plus ou moins importante :

• Protocole IPv4 :


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On peut déterminer la classe d'un réseau à l'aide des bits de poids fort de son adresse :

Masque de sous-réseau :

Il permet de distinguer, dans une adresse IP, la partie identifiant le réseau et la partie identifiant la machine au sein de ce réseau.

En appliquant un ET logique entre le masque de sous réseau et l'adresse IP (tous deux écrits en binaire), on obtient l'adresse du sous-réseau. Deux machines appartenant au même sous réseau peuvent communiquer sans passer par un routeur.

Par défaut, le masque de sous-réseau pour une adresse de classe C est 255.255.255.0


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Modèle client/serveur:

• TCP/IP est basé sur le modèle client/serveur. Lors d'un échange sur le réseau, le client est demandeur d'un service à un serveur, qui est quant à lui fournisseur de ce service.

• Par exemple, une machine « cliente » accède au serveur au serveur du fournisseur « Orange.fr ». Celui-ci propose plusieurs types de services, qui vont être matérialisés par des numéros, appelés « ports ».

• Ainsi, si le client veut consulter ses mails, il s'adressera au port n°110 (SMTP). Pour naviguer en http, le port 80 de ce même serveur sera sollicité.

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• Un serveur doit donc « écouter » en permanence si des demandes lui parviennent sur les différents numéros de port correspondant aux services qu'il propose.

• L'ensemble « adresse IP + n°port » est appelé « socket » et identifie un service sur une machine.

Notation : : Exemple : 192.168.0.125 : 502

Rq : Les noms de domaine (tels que « Orange.fr ») correspondent à des serveurs, et sont donc associés à une adresse IP. La correspondance entre un nom et une adresse IP se fait par le biais d'un serveur DNS.


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• Quelques commandes utiles (DOS) ...

IPCONFIG affiche un résumé des propriétés IP des cartes réseaux :

PING permet de vérifier la connectivité entre deux nœuds :

TELNET permet de vérifier l'accès à un service sur une machine distante


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• Exercice :

• Relevez la configuration IP de votre PC à l’aide de la commande PING

• Identifiez la classe d’adresses correspondante

• Combien de machines peuvent-elles être connectées sur ce réseau ? Conclure.


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CH2 : Modbus

1.1 – Objectifs

1.2 – Exemple d’application

1.3 – Types de données

1.4 – Principales fonctions

1 – Présentation

2.1 RS232

2.2 RS485

2.3 Ethernet

2.4 Synthèse

2 – Supports de communication

3.1 Principe des échanges

3.2 Trame MB RTU

3.3 Trame MB TCP

3 – Transactions Modbus

ANNEXES : Fonctions Modbus usuelles


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1 - Présentation

• 1-1 – Objectifs• Groupe Schneider / Merlin Gerin / Télémécanique (Modicon à

l’époque) à l’origine du projet

• Système de communication basé sur une liaison série

• Faire communiquer entre eux différents équipements d’automatisme (automates, variateurs, IHM…)

• Echanger des données sous formes de Bits et de Mots

• Exemple :

Variateur de vitesse@2

API (maître)IHM@1

Affichage état de l’état fonctionnement

Ordres de pilotage

Liaison Modbus


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1-2 – Exemple d’application

L’architecture suivante permet la supervision d’une installation électrique destinée à la ventilation d’un tunnel :

4 variateurs de vitesse Schneider ATV61 sont utilisés pour piloter les moteurs d’entraînement des ventilateurs

Un coupleur Modbus Wago 750-312 muni d’une carte 8 entrées TOR est utilisé pour relevé l’état des disjoncteurs de l’installation. Les contacts auxiliaires des disjoncteurs sont reliés comme suit :

Q1 (extraction 1) : ED1

Q2 (extraction 2) : ED2

Q3 (insufflation 1) : ED3

Q4 (insufflation 2) : ED4

Q0 (général) : ED5 (ED6, ED7, ED8 : N.C)

Un compteur d’énergie communicant Schneider IEM3150 effectue différents relevés (puissance instantanée, énergie consommée, courants, tensions…)


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Réseau Ethernet

Liaison RS485**

Poste de supervisionPC + carte réseauLogiciel de supervision utilisant Modbus (TCP)@IP : 192.168.0.100

Extraction 1VariateurATV61@ esclave : 1

Extraction 2VariateurATV61@ esclave : 4

Insufflation 1VariateurATV61@ esclave : 2

Insufflation 2VariateurATV61@ esclave : 3

Surveillance disjoncteursCoupleur 750-312Carte 8E TOR@ esclave : 6

Compteur Energieiem3150@ esclave : 5

Passerelle MBEthernet/RS485@IP : 192.168.0.101

**paramétrage : 19200 Bds, parité paire, 1 bit de STOP


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• 1-3 – Types de données• 4 types de données sont définis par le protocole:

Type d’objet Accès Exemples

Discret Inputs Bit R - entrées TOR- Fin de course- Contact auxiliaire de disjoncteur

Coils Bit R/W - Sorties TOR- Bit interne- RAZ d’un compteur d’énergie

Input Registers Mot R - Entrées analogiques- Lecture d’un capteur

Holding Registers Mot R/W - Sorties analogiques- Variable d’un programme (ex: temporisation, opérande

d’un calcul…)- Valeur de paramétrage d’un équipement (ex : consigne de

vitesse d’un variateur…)

Les données d’un équipement sont identifiées par des adresses codées sur 16 bits.

Exemple (compteur d’énergie Schneider iem3150) :


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Les fonctions Modbus permettent à des équipements d’échanger ces différents types de données :

Code Fonction Description

1 Lecture de bits (coils)

2 Lecture de bits d’entrée (discret inputs)

3 Lecture de mots (holding registers)

4 Lecture de mots d’entrée (input registers)

5 Ecriture de 1 bit

6 Ecriture de 1 mot

15 Ecriture de n bits

16 Ecriture de n mots

Exemples (installation ventilation du §1.2) :

• Fixer la vitesse de rotation d’un ventilateur : fonction 6• Relever les mesures du compteur d’énergie : fonction 3 ou 4 • Afficher l’état des disjoncteurs : Fonction 2

1-4 – Principales Fonctions


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2 – Supports de communication

• 2.1 - RS 232 Liaison Point à Point

3 Fils minimums : Emission (Tx) – Réception (Rx) – Masse/référence commune (Gnd)

Niveaux de tension +12V (‘0’) / -12V (‘1’)

D < 30m

Esclave

Maître

+12V

-12V

Vrs232


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• Connectique :


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• 2.2 - RS 485 Liaison Multipoints (jusqu’à 63 esclaves en Modbus)

2 Fils minimums : D0 – D1

Transmission différentielle (Niveaux de tension 0V/5V)

D < 120m (1000m avec répéteurs)Esclave

n°1

Maître

Esclave n° i...

+5V

0V

VD0


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Comparaison RS232 / RS 485 :


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• Dans tous les cas (RS232 et RS485), on doit définir les paramètres de la communicationconsidérée, et vérifier que le paramétrage soit identique sur toutes les stations :

• Débit binaire (« Baudrate ») : Egalement appelé « vitesse de transmission », Il s’exprimeen Bauds (Bds) et correspond au nombre de bits par seconde.

Par défaut, le débit est de 19200 Bds en Modbus. Autres débits usuels : 1200 Bds, 2400Bds, 4800 Bds, 9600 Bds.

• Parité (« Parity ») : Bit de contrôle insérer à la fin de chaque octet transmis vérifiant,selon le paramétrage choisi, que le nombre de bits à ‘1’ dans l’octet est paire (« even ») /impaire (« odd »).

Le contrôle de parité peut aussi être désactivé (« none »)

• Bit(s) de stop : Un bit de Start à ‘0’est inséré au début de chaque octet à transmettre.L’utilisateur peut également paramétrer 1 ou 2 bits de STOP (à ‘1’) à la fin de celui-ci.

• Contrôle de flux : Matériel (utilisation des signaux RTS/CTS), logiciel ou aucun.


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• Connectique :


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+2V

-2V

Vrx+

• 2.3 - EthernetLiaison Multipoints

4 Fils minimums (2 paires Rx/Tx)

Transmission différentielle (niveaux +/-2V) + codage manchester

D < 100m


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• Connectique (câble rj45 100 base T):

2.4 - Synthèse

RS232 : Limité à 2 équipements et aux courtes distances.

RS485 : Solution industrielle, bonne immunité aux parasites em, choix pour les connexions dans le TGBT.

Ethernet : Lien vers la supervision


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3 – transactions modbus

• 3-1 – Principe des échanges• Un échange Modbus est également appelé transaction

• Une transaction est composée d’un couple Requête/Réponse

• Un réseau Modbus est composé d’un maître et d’un ou plusieurs esclave(s)

• Le maître est le seul à pouvoir émettre des requêtes

• Les esclaves répondent au maître

• Le protocole Modbus définit la composition des trames de requêtes et de réponse


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3-2 – Trames Modbus RTU

La variante RTU de Modbus est la forme la plus utilisée sur lignes séries (RS485 et RS232)

Une trame Modbus RTU comporte les champs suivants :

Rq les trames sont généralement présentées en format hexadécimal

Adresse : n° d’esclave Modbus

Code fonction : définit le type d’échange (cf § 1.4)

Données : contient les données relatives à la fonction. Pour une lecture : adresse et nombre de données à lire. Pour une écriture : adresse, nombre de valeurs et valeurs à écrire.

CRC : champ de contrôle

Adresse Code Fonction Données CRC

1 octet 1 octet N octets 2 octets


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Idem requête Idem requête N octets 2 octets



Adresse Code FonctionD’exception

Code d’exception CRC

Idem requête Code + 0x80 1 octets1: ε sur code fct2 : ε sur adresse3 : ε sur données

4 : autre ε

2 octets

Transaction sans erreur :

Transaction avec erreur :

Maître

Maître

Maître

Maître

Esclave

Esclave


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o Lecture de l’état des disjoncteurs pour affichage sur le superviseur :

o Réponse (seul Q3 est ouvert) :

o Affichage des vitesses de rotation des 4 ventilateurs sur le superviseur :

@ Modbus Code Fct Adr 1er bit Nb de bits CRC

06 02 00 00 00 05 XX XX

@ Modbus Code Fct Nb octets État des bits CRC

06 02 01 XX XX

@ Modbus Code Fct Adr 1er mot Nb de mots CRC

01 03 01 91 00 01 XX XX

xxx1 10112 → 1B16

Q0 Q4 Q3 Q2 Q1

40110 → 19116Idem pr les 3 autres ventilateurs avec

@Modbus=2,3 et 4


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o Réponses (Ext1=5,5 Hz, Ext2=15 Hz, Ins1=7Hz, Ins2=22,5Hz)

o Commande du ventilateur d’extraction 2 (Consigne de fréquence = 20 Hz)

o Réponse (pas d’erreur) :


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+5V

0V

VDiff

o Tracez le chronogramme de la tension différentielle correspondante sur la liaison RS485 (19200 Bds) :

o Écrire, en binaire, l’ensemble des bits transmis pour le 2° octet de la trame précédente (parité paire, 1 bit de stop) :

-5V


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3-3 – Trames Modbus TCP

Le protocole Modbus TCP permet l’encapsulation de trames Modbus dans les trames Ethernet :

Le port 502 est utilisé pour les échanges Modbus sur TCP.

Adresse * Code Fonction Données

1 octet 1 octet N octets

En-tête Ethernet En-tête IP En-tête TCP Données CRD

22 octets 12 octets 24 octets 255 octets max 4 octets

En-tête Modbus

6 octets

* Note : dans le cas d’un échange entre deux équipements connectés en ethernet, la valeur de ce champsera ignorée dans l’échange


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Modbus rajoute une en-tête composée des champs suivants :

Transaction ID :

Protocol ID :

Length :

Transaction ID Protocol ID Length

2 octets 2 octets 2 octets

En-tête Modbus

6 octets


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o Lecture du courant moyen pour affichage sur le superviseur:

o Lecture des tensions pour affichage sur le superviseur:


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0V

VDiff

o Tracez le chronogramme de la tension différentielle correspondante au premier octet utile, après l’en-tête de cette trame Modbus sur liaison Ethernet 10 Mb/s :

o Lecture des puissances actives affichage sur le superviseur:


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ANNEXES

- DOCUMENTATIONS TECHNIQUES -

- Variateur ATV61- Coupleur Modbus Wago 750-31x

- PRINCIPALES FONCTIONS MODBUS-

- Fonction 01- Fonction 02- Fonction 03- Fonction 04- Fonction 05- Fonction 15- Fonction 16


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Fonction 0x01 : Lecture de n bits de sorties.

Cette fonction permet de lire 1 à 2000 bits consécutifs dans le segments mémoire du serveur correspondants aux sorties discrètes (« coils »).

La trame de requête contient les champs suivants :

La trame de réponse, si aucune erreur ne survient :

* Rq : N = (nb_de_bits) / 8 si nb_de_bits est un multiple de 8N = (nb_de_bits) / 8 + 1 dans le cas contraire

Code Fonction 1 Octet 0x01

Adresse de départ 2 Ocets De 0x0000 à 0xFFFF

Nombre de bits à lire : 2 Octets De 1 à 2000 (0x7D0)

Champ : Taille : Valeur :

Code Fonction : 1 octet 0x01

Nombre d'octets de la trame de réponse : 1 octets N*

Etat des bits lus : N octets Etat des bits lus


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Fonction 0x02 : Lecture de n bits d'entrées.

Cette fonction permet de lire 1 à 2000 bits consécutifs dans le segments mémoire du serveur correspondants aux entrées discrètes (« discrete inputs »).



Code Fonction 1 octet 0x02

Adresse du 1° bit à lire 2 octets 0x00 à 0xFFFF

Nombre de bits à lire 2 octets 0x00 à 0x2000

Code Fonction 1 octet 0x02

Nombre d'octets de du champ suivant

1 octets N

État des bits lus N octets Valeurs lues


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Fonction 0x03 : Lecture de n registres.

Cette fonction permet de lire 1 à 125 mots (16 bits) consécutifs dans le segments mémoire du serveur correspondants aux registres accessibles en lecture/écriture (« Holding register »).





Adresse du 1° registre à lire : 2 octets 0 à 0xFFFF

Nombre de registres à lire (n) : 2 octets 1 à 125 (0x7D)



Nombre d'octets du champ suivant : 1 octet 2 x n

Mots lus : n x 2 octets Valeurs lues


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Fonction 0x04 : Lecture de n mots d'entrée.

Cette fonction permet de lire 1 à 125 mots (16 bits) consécutifs dans le segments mémoire du serveur correspondants aux registres accessibles en lecture seule (« Input register »).





Adresse de départ : 2 octets 0x0000 à 0xFFFF

Nombre de registres à lire (n) : 2 octets 1 à 125 (0x7D)



Nombre d'octets de la trame de réponse : 1 octet 2 x n

Valeurs de registres lus : nx2 octets valeurs


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Fonction 0x05 : Ecriture d'un bit de sortie.

Cette fonction permet de forcer une sortie à '1' ou à '0' sur l'équipement distant. Le sous-champ « valeur » du champ « données » contient 2 octets : la valeur 0xFF00 permet le forçage à '1', la valeur 0x0000 le forçage à '0'; toutes les autres valeurs sont interdites. La réponse à cette requête est un écho de la requête.


Si aucune erreur ne survient, la trame de réponse est identique à la trame de requête (écho)

La trame de réponse, si une erreur survient :



Adresse du bit à écrire : 2 octets 0x0000 à 0xFFFF

Valeur à écrire ('0' ou '1') : 2 octets 0x0000 ou 0xFF00


Code d'erreur : 1 octet 0x85

Code d'exception : 1 octet 01, 02, 03, ou 04


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Fonction 0x06 : Ecriture d'un registre de sortie.

Cette fonction permet l'écriture d'une variable sur un mot accessible en lecture/écriture de l'équipement distant. La réponse à cette requête est un écho de la requête.


Si aucune erreur ne survient, la trame de réponse est identique à la trame de requête (écho)

La trame de réponse, si une erreur survient :



Adresse du registre à écrire : 2 octets 0x0000 à 0xFFFF

Valeur à écrire (big endian) : 2 octets 0x0000 à 0xFFFF


Code d'erreur : 1 octet 0x86

Code d'exception : 1 octet 01, 02, 03, ou 04


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Fonction 0x0F : Ecriture de n bits de sortie.

Cette fonction permet d'écrire 1 à 1968 bits consécutifs d'un équipement distant. La réponse à cette requête renvoie le nombre de bits écrits ainsi que l'adresse de départ en écho.


Le rangement des bits à l'intérieur des mot se fait de la façon suivante :


Code Fonction : 1 octet 0x0F

Adresse de départ : 2 octets 0x0000 à 0xFFFF

Nombre de bits à écrire : 2 octets 0x0001 à 0x07B0

Nombre d'octets du champ suivant 1 octet 0 à 255

Valeurs à écrire N octets .................

Adresse de départ b15

b14

b13

....... b3 b

2 b

1 b

0

Adresse de départ + 1 b31

b30

b29

....... b18

b17

b16

Adresse de départ + 2 etc...


2019-2020 61

Fonction 0x10 : Ecriture de n registres.

Cette fonction permet d'écrire 1 à 123 registres consécutifs d'un équipement distant. La réponse à cette requête renvoie le nombre de registres écrits ainsi que l'adresse de départ.La trame de requête contient les champs suivants :

La trame de réponse (sans erreur) :



Adresse du 1° mot à écrire : 2 octets 0x0000 à 0xFFFF

Nombre de mots à écrire (n) : 2 octets 0 à 0x7B

Nombre d'octets du champ suivant 1 octets 0 à 255

Valeurs à écrire (big endian) : n octets 0x0000 à 0xFFFF



Adresse du 1° mot écrit : 2 octet 0 à 0xFFFF

Nombre de mots écrits 2 octets n


2019-2020 6262LP MEEDD - UE2D-ARB


2019-2020 6363LP MEEDD - UE2D-ARB


2019-2020 6464LP MEEDD - UE2D-ARB

Variateur de Vitesse ATV61 :


2019-2020 65

CH3 : KNX

1.1 – Objectifs/ Historique

1.2 – Exemple d’application

1.3 – Adressages

1.4 – Architectures

1 – Présentation

2.1 TP

2.2 CPL

2.3 Radio

2.4 IP

2 – Couches Physiques

3.1 Principe des échanges

3.2 Trame MB RTU

3.3 Trame MB TCP

3 – Télégrammes

4 - DPT


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1 - Présentation

• 1-1 – Historique & Principe• En 1997, Batibus, EIB et EHS ont décident de s’associer pour

développer un standard de communication dédié aux bâtiments intelligents.

• La spécification KNX fut alors publiée au printemps 2002 par l’association KONNEX :

• En novembre 2006 le protocole KNX et tous ses média de communication (TP, PL, RF, IR) sont reconnus par ISO/IEC (norme : 14543-3-x) pour la publication comme standard international.

• KNX est le seul standard ouvert au monde pour la domotique et l’immotique

• Plus de 100 entreprises membres dans le monde distribuent 7.000 produits certifiés KNX


2019-2020 67

1-2 – Exemple d’installation• On considère la gestion technique d’une partie d’un bâtiment tertiaire

(bureaux + salle de réunion) comportant les fonctionnalités suivantes :

• Gestion des ouvrants (volet roulant)

• Gestion de l’éclairage (gradation, on/off, présence, plages horaires)

• Supervision et paramétrages via une dalle tactile

• CVC (ventilation motorisée + chauffage)


2019-2020 68

Lig

ne

pri

nci

pa

le (

TP)

Salle de Réunion Espace détente

Actionneur pour volet roulantMTN649802 1.1.1

Variateur 500WMTN649350

1.1.2(Eclairage)

Variateur 500WMTN649350

1.2.4(ventil.)

Actionneur de Commutation (Ecl. + chauff)MTN647595 1.2.1

ThermostatMTN619790 1.2.2

Détect. Pres. / capteur luminosité

MTN630919 1.1.4

Poussoir doubleMTN649350

1.2.3

Poussoir doubleMTN649350 1.1.3

Coupleurs de ligne1.1.0 1.2.0

Ligne 1 (TP) Ligne 2 (TP)

Synoptique :A

lim Alim

Vers autres zones du bâtiment


2019-2020 69

• L’élément topologique de base d’une installation KNX est la ligne.

• Elle est composée de :

• une alimentation spécifique, dite de ligne,

• un maximum de 64 participants,

• une longueur de câble totale n’excédant pas 1 000 mètres.

• La ligne représente l’installation minimale KNX.

1-3 – Structure du réseau KNX


2019-2020 70

Pour augmenter le nombre de participants, il est possible d’ajouter des segments à une ligne.

On peut aller dans ces cas jusqu’à 255 participants. On utilise par segment une alimentation de ligne, et chaque segment est séparé de son voisin par un composant spécifique, le répéteur de ligne.

Certaines précautions sont alors à respecter sur les distances, notamment :

• longueur des câbles entre deux participants < 700 mètres,• longueur des câbles entre deux alimentations < 350 mètres,• longueur des câbles entre un participant et une alimentation < 350 mètres,• longueur des câbles entre deux alimentations > 200 mètres.


2019-2020 71

• Les installations KNX peuvent être constituées de plusieurs lignes, on parle alors dezones et plusieurs zones peuvent à leur tour être rassemblées pour constituer des installations plus importantes.

• On peut aller ainsi théoriquement jusqu’à environ 55 000 participants :


2019-2020 72

1-4 – Adressages Physique & Logique• Adresse Physique

L’adresse physique permet d’identifier les participants sur une installation KNX.

Cette adresse physique est liée à la topologie du réseau KNX et à la situation du participant dans la topologie.

L’adresse physique du participant est attribuée au début de la programmation.

On agit directement sur le produit, en appuyant sur le bouton de programmation et, par le logiciel ETS™, il reçoit son adresse physique.


2019-2020 73

• Adresse LogiqueL’adresse de groupe sert quant à elle à programmer les fonctionnalités de l’installation.Cette adresse, logique, permet de relier un capteur (ou une entrée) à un actionneur (ouune sortie).Cette opération d’affectation est effectuée dans le logiciel ETS™.

Un télégramme véhiculé via une adresse de groupe X par un capteur sera lu par un actionneur si ce dernier contient cette même adresse de groupe X correspondant à une de ses fonctionnalités.

Le participant rejette tout télégramme qui ne lui est pas destiné.


2019-2020 74

L’adresse de groupe 1/2/1 a été assignée à la touche 1 du bouton poussoir...

...mais aussi aux voies 1 et 4 de l’actionneur de commutation d’éclairage 1.1.2...

ce qui aura pour effet d’activer ces 2 voies lors d’un appui sur le bouton 1.

Sur une ligne figurent un détecteur de mouvement, un bouton poussoir multifonction,un actionneur de commutation d’éclairage et une alimentation KNX.Nous allons nous intéresser au fonctionnement de l’allumage des circuits 1 et 4 sur leschéma suivant, donc seulement au bouton poussoir multifonction età l’actionneur de commutation.

Exemple :


2019-2020 75

• Conventions d’adressage

Une part importante du travail à réaliser sur ETS va être la création d'adresses de groupe pour lier les différents participants et assurer les fonctionnalités désirées au sein du bâtiment.

Pour cela, il convient d'avoir une démarche structurée afin que le projet reste lisible, que les différents liens soient facilement identifiables, dans le but de faciliter le développement et la maintenance du système.

Ainsi, la lecture d’une adresse de groupe doit permettre d’identifier clairement :

La fonction du groupe (éclairage, store, chauffage…),

Le lieu où se déroule l’action (salle de réunion, zone accueil…),

le type d’action (commutation, variation…).


2019-2020 76

On pourra donc adopter la méthodologiesuivante pour définir les adresses de grouped’un projet :

- Le groupe principal définit le type/domainede l’action (éclairage, CVC …)

- Le groupe Médian le type d’objet concerné:

- Commutation- Valeur/gradation- Acquittement de commutation- Acquittement de Valeur

- Le sous-groupe la sortie concernée


2019-2020 77

Exemple : Eclairage On/Off de la salle de réunion :

Allumage/extinction sur appui courts (touches 1 & 2 )du module 1.1.3 Extinction si absence prolongée

Variation Eclairage de la salle de réunion : Allumage/extinction sur appui longs (touches 1 & 2 )du module 1.1.3 Ajustement si luminosité extérieure > 350 lux

Ventilation : Commande manuelle variable via touches 3 & 4 du module 1.2.3 Déclenchement thermostaté

Chauffage : Commandé par thermostat

Eclairage On/Off espace détente : Allumage/extinction sur touches 1 & 2 du module 1.2.3

Proposition d’adressage de groupe :- 3 groupes principaux : Eclairage (1), Ventilation (2), Chauffage (3)- 2 groupes médians : Commutation (1), Variation (2)


2019-2020 78

Proposition d’adresses de groupe :

GP GM SG Adresse de Groupe Adresses Physiques liées

1

Eclairage

1

Commutation

1SDR_Ecl_Sw

2ED_Ecl_Sw

2Variation

1SDR_Ecl_Dim

2

Ventilation

1Commutation

1ED_Ven_Sw

2Variation

1ED_Ven_Dim

3Chauffage

1Commutation

1ED_Ch_Sw


2019-2020 79

2 – Couches physiques

2.1 – TP0 et TP1La paire torsadée est le support le plus couramment utilisé pour véhiculer les

télégrammes KNX.

TP0 : 4800 bauds / TP1 : 9600 bauds

Câble :


2019-2020 80

Codage des bits :

‘1’ : silence ‘0’ : alternance +/- 5v Tension moyenne = 29V(alim ligne)


2019-2020 81

2.2 – PL110U�lisa�on de courants porteurs → Un bus n’est plus nécessaire

Une fréquence porteuse (110 kHz) est superposée à la tension du réseau

Modula�on FSK de ce�e porteuse : ‘0’ → 105,6 kHz / ‘1’ → 115,2 kHz

Débit : 1200 Bauds


2019-2020 82

2.3 - RadioSupport radio pour possible pour les petites & moyennes installations

Mise en oeuvre simplifiée

Fréquence : 868 MHz

Débit : 16,3 kBds

2.4 - IP

A l’instar de Modbus, les télégrammes KNX peuvent être encapsulées dans des trames Ethernet

Cela permet d’utiliser le réseau Ethernet comme support pour…

Remplacer les coupleurs de zones, et ainsi communiquer facilement avec la supervision

Accéder à l’interface de programmation (ETS) et remplacer les interfaces USB / RS232


2019-2020 83

3 –télégrammes

• Format général Les participants échangent des informations entre eux par le biais de télégrammes, (=trames) découpés en champs.

Tout participant peut émettre un télégramme qui sera traité par les destinataires concernés (c’est à dire ayant l’adresse de groupe correspondante enregistrée).

Contrôle @ expé @desti Cpt / long Données sécu

octets 1 2 2 1 16 maxi 1


2019-2020 84

4 –DPT : Data points typesLes liens (adresses de groupes) entre les participants KNX ne peuvent se faire que si les données mises à disposition par ceux-ci sur le bus sont compatibles.

Pour cela, KNX définit une grande variété de types de données, appelés « DPT : Data Points Types » définissant le format de la donnée mise à disposition sur le bus.

Certains DPT sont à usage général (ex : booléen, valeur entière non signée sur 8 bits…), d’autres plus spécifique (ex : mesure de luminosité en lux, valeur de courant en mA…).

Chaque type est identifié par deux chiffres séparés par un point:

Type_principal . Sous_type

Ci-après les types principaux disponibles, avec les formats correspondants et les plages de valeurs possibles.


2019-2020 8585


2019-2020 86

A titre d’exemple, pour le type booléen, les sous-types suivants sont disponibles :


2019-2020 87

Pour type flottant (16 bits), les sous-types suivants sont disponibles :


2019-2020 88

• Exemple ci-dessus : Mesure du courant consommé via un actionneur équipé d’un dispositif de mesure d’intensité.


2019-2020 89

Par ailleurs, pour lier ces données au sein d’une adresse de groupe, il faudra vérifier la cohérence des accès en lecture/écriture (R/W) sur ces données par le bus.

• Exemple ci-dessus : pilotage de la montée/descente d’un store via un écran tactile.


2019-2020 90

Enfin, on pourra souvent paramétrer la façon dont une donnée doit être émise sur le bus, par exemple :

- De façon cyclique (toutes les 100ms, toutes les 10s, tous les jours …)

- Sur changement d’état/de valeur uniquement pour ne pas surcharger le réseau

• Exemple ci-dessus : Envoi de la luminosité toutes les 10s par un capteur de luminosité


2019-2020 91

CH4 : DALI

1 – Présentation

2.1 Support

2.2 Codage des signaux

2 – Couche Physique

3.1 Adressage

3.2 Valeurs

3.3 Commandes

3 – Trames

4 –Matériel / Logiciel


2019-2020 922019-2020 92

DALI est la définition de l'interface numérique standardisée pour les ballasts électroniques. La norme DALI, couvrant tous les constructeurs, est fixée par la norme pour ballasts électroniques CEI 60929.

L'association DALI AG :

Digital Addressable Lighting Interface Activity Group

se charge de promouvoir cette nouvelle technologie et de coordonner les activités des différents constructeurs.

1 - Présentation


2019-2020 932019-2020 93

Par le passé, les ballasts avec gradation étaient contrôlés par des interfaces analogiques 1-10V :


2019-2020 942019-2020 94

L'objectif : conception d’une technologie simple et économique, répondant aux contraintes de la gestion d'éclairage.


2019-2020 952019-2020 95

Principe des échanges :


2019-2020 962019-2020 96

Positionnement dans la GTB :


2019-2020 972019-2020 97

La norme DALI garantie l'interchangeabilité des produits de différents Constructeurs (ex : OSRAM, Philips...)

La communication et l'installation sont simplifiées autant que possible.

• Données techniques :

→ Transmission série, 16 bits→ Débit 1.2 kBit/s→ Longueur des câbles, jusqu'à 300m→ Topologie libre

Caractéristiques principales de DALI :


2019-2020 982019-2020 98

Membres de DALI-AG :


2019-2020 992019-2020 99

2 – Couche Physique

2.1 - Support

• Des câbles spécifiques ne sont pas nécessaires grâce au faible débit de transmission.

• Tout câble électrique à 5 conducteurs standard peut être utilisé.

• La section minimale des câbles à utiliser est dépendante de la longueur du réseau :


2019-2020 1002019-2020 100

Pas de polarité sur les fils DALI (!)


2019-2020 1012019-2020

101

L’architecture du réseau DALI permet à la fois des topologies de type bus et étoile :

La combinaison de différentes topologies de réseaux est possible :

Les réseaux existants peuvent ainsi être étendus sans difficulté.

2.2 – Architecture :


2019-2020 1022019-2020 102

Les trames de commande circulant sur le bus sont des informations numériques. Les signaux ont les caractéristiques suivantes :

• transmission différentielle

• Codage Manchester

• Niveaux de tension 0/16V.

2.3 – Codage des signaux


2019-2020 1032019-2020 103

3 – Trames de CommunicationLe contrôleur envoie une requête vers le ballast, puis reçoit une réponse de celui-ci.

• La requête contient 19 bits : 1 bit de start + 1 octet d'adresse + 1 octet de donnée + 2 bits de stop. Sa durée est 19 x 1 / 1200 = 15,83 ms

• La réponse contient 11 bits : 1 bit de start + 1 octet de donnée + 2 bits de stop. Sa durée est 11 x 1 / 1200 = 9,17 ms

• Le bit de start correspond à 1 logique Les bits de stop correspondent à une inactivité (niveau haut)


2019-2020 1042019-2020 104

• L'espace adressable d'un contrôleur concerne 64 composants.Chaque luminaire possède :

→ Une adresse individuelle (1 à 64)→ Une adresse de Groupe (1 à 16)

Dans un groupe, les luminaires sont commandés identiquement, mais leurs états sont remontés individuellement.

Les adresses individuelles et de groupe du luminaire sont mémorisées dans le ballast.

• Celui-ci mémorise aussi les certains réglages : Consigne en cas de perte de connexion Niveaux min et max Temps de montée/descente …

• Enfin, un contrôleur DALI permet de définir 16 scènes. Le rappel d’une scène positionne les luminaires concernés (ayant le numéro de scène correspondant mémorisé) dans l’état défini par la scène.

Note : Un ballast peut être appelé par plusieurs scènes.


2019-2020 1052019-2020 105

Octet d’adresse :

• Si Y='0' → Adressage individuel sur les bits A5....A0

• Si Y='1' → Adressage de groupe sur les bits A3....A0 ( dans ce cas : A5=A4='0')

• Si tous les bits sont à '1' → Adresse de diffusion (« broadcast ») : commande générale s'adressant à tous les ballasts présents sur la ligne.

Exercice :

- Écrire l'octet permettant de s'adresser individuellement au ballast n°55

- Écrire l'octet permettant de s'adresser au groupe de ballasts n°12


2019-2020 1062019-2020 106

Le bit de sélection S de l'octet d'adresse (cf page précédente) indique que :

→ la donnée qui suit est une valeur de varia�on si S='0'

→ la donnée qui suit est une instruc�on de commande si S='1'

Rq : Si l'octet d'adresse commence par 101 ou par 110, il s'agit d'une instruction de commande étendue spéciale.

Octet de données :


2019-2020 1072019-2020 107

Dans le cas où S = '0' :

la valeur de luminosité est codée par un nombre N compris entre 0 et 255 selaon la formule suivante :

N = 255/3 x log (P)

Où P est la puissance électrique désirée exprimée en millième de la puissance nominale du luminaire.

On pourra utiliser l'abaque suivant pour établir la correspondance →


2019-2020 1082019-2020 108

Dans le cas où S = ‘1' :

L'octet correspond à une commande prédéfinie dont voici quelques exemples :

- commande 0 : "OFF" commande qui permet l'extinction immédiate de la lampe

- commande 6 : "RECALL MIN LEVEL" commande qui permet le réglage de luminosité à la valeur minimale

- commandes 16 à 31 : "GO TO SCENE" commande qui permet d'obtenir le réglage mémorisé dans le scénario considéré (XXXX indique le numéro du scénario : 0 à 15)

- commandes 96 à 111 : "ADD TO GROUP" commande qui permet d'ajouter le ballast au groupe considéré (XXXX indique le numéro du groupe : 0 à 15)

- commande 146 : "QUERY LAMP FAILURE" commande qui demande si la lampe dont l'adresse est spécifiée présente un problème. La réponse sera "Yes" ou "No"

- L'octet de donnée d'une réponse est du type "Yes", "No", ou information 8 bitsexemple : "Yes" commande


2019-2020 1092019-2020 109

Exercice :

• Écrire la trame permettant l'appel de la scène 5 pour l'ensemble des ballasts connectés au bus.

• Représentez le chronogramme de la tension différentielle correspondante sur le bus. On prendra le front montant pour le '0' logique.


2019-2020 1102019-2020 110

La norme DALI, qui couvre tous les constructeurs, garantit l'interchangeabilité et l'interopérabilité des équipements de différents fabricants. Exemples de composants DALI :

4 – Aspects matériels & logiciels


2019-2020 1112019-2020 111

• Intégration de DALI dans un système de GTB global :


2019-2020 1122019-2020 112

• Utilisation de passerelles KNX/DALI pour intégration dans un réseau KNX :


2019-2020 1132019-2020 113

Le logiciel Wago DALI configurator utilisé en TP permettra le paramétrage des ballasts (adresses, scènes etc…) :


2019-2020 114

CH5 : Enocean

1 – Concept

2 – Structure des Trames

3 – Fonctionnalités & Profils

4 –Equipment


2019-2020 1152019-2020 115

EnOcean est une technologie sans fil et sans pile basée sur des émetteurs radio à très faible consommation.Les émetteurs puisent leur énergie dans l’environnement : cellules photovoltaïques, interrupteur piézo-électrique.

Quelques données Techniques :

Fréquence : 868.3 MHz

Puissance à l’émission : 10mW

Identifiant UNIQUE, sur 32 bits, fixé en usine pourchaque émetteur

Trames de données très courtes

Faible rayonnement électromagnétique (100 fois moins qu’un téléphone mobile)

Portée : 100m en champ libre, 30m placo, 20m brique

1 – Concept


2019-2020 1162019-2020 116

Avantages :

Installation aisée : libre positionnement des capteurs

Réduction de la pollution : Pas de fil, pas de saleté, pas de pile (et donc pas d’élimination

des piles)

Économies d’énergie

Avantages au niveau coût

Flexibilité et confort

Simplicité de commande


2019-2020 1172019-2020 117

2 – Structure d’une trame :


2019-2020 1182019-2020 118

• Le type de télégramme radio :

→ 0xA5 : « 4BS Telegram » = donnée sur 4 octets (4 bytes sensor)

→ 0xD5 : « 1BS Telegram » = donnée capteur sur 1 octet

→ 0xF6 : « RPS Telegram » = données booléennes sur 1 octet

L'identifiant inclue une fonction et un type, qui, en complément du champ RORG identifie précisément le comportement de l'équipement et permet son interopérabilité / interchangeabilité avec d'autres produits proposés par d'autres fabricants…


2019-2020 1192019-2020 119

• Les fonctions de base (FUNC) :

3 – Fonctionnalités et profils :


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• Les types de dispositifs (TYPE) :


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• Exemples de profils (RORG + FUNC +TYPE)


2019-2020 1222019-2020 122


2019-2020 1232019-2020 123

Emetteurs : Gamme d’interrupteurs, Contacts magnétique, Détecteur de présence, régulateurs, télécommandes...

4 – Equipements :


2019-2020 1242019-2020 124

Récepteurs : Contrôleurs de GTC, ou simples actionneurs

Contrôleur Wago muni d’un récepteur Enocean,

Actionneur Ubiwizz à 2 sorties relayées


2019-2020 1252019-2020 125


2019-2020 1262019-2020 126


2019-2020 1272019-2020 127


2019-2020 1282019-2020 128

Documents

LP MEEDD UE2D –Automatisme, Réseaux et Bus de terrain …neanne.univ-tln.fr/IMG/pdf/Cours_UE2D-ARB_LPMEEDD_2019... · 2020. 1. 20. · Interconnecter les équipements d’automatisation