Réseaux locaux industriels - eavr.u-strasbg.freavr.u-strasbg.fr/.../2015-2016/BusTerrain.pdf · Les bus de terrain / réseaux locaux industriels (RLI) Informatique Industrielle 2

RéseauxlocauxindustrielsInformatiqueIndustrielle 1

Lesbusdeterrain/réseauxlocauxindustriels(RLI)

InformatiqueIndustrielle 2

Espace géographique délimité (usine,atelier, voiture, robot, etc).

Terrain

Il s’agit d’un ensemble de conducteurscommun à plusieurs circuits permettantd’échanger des données. Les échanges sontgérés par un protocole.

BusenInformatiqueIndustrielle

Un réseau est un bus ou un ensemble debus répartis sur un terrain.

Réseau

Un bus de terrain est un système decommunication entre plusieurs ensemblescommuniquant dans une zonegéographique limitée (capteurs,actionneurs, calculateurs, etc.)

Busdeterrain

Lesbusdeterrain:Besoins


Périphériques

API

E/S Capacitésparasites

Périphériques

API

COM

• Intelligencedéportéeauniveaudeséquipements• Distribution(décentralisation)ducontrôle,du

traitementdesalarmesetdefonctionsdediagnostiques

Lesbusdeterrain:Classification


• Lesbusd’usine(RéseauLocalIndustriel):communicationentrelesautomatesetl’informatiquedel’entreprise(souventbasésurEthernet)• Tempsnoncritique(1sà10s)• Beaucoupdedonnées(fichiers,etc.)• Longuesdistances

• Lesbusdeterraininterconnectelesunitésdetraitementetlespériphériques• Tempsderéaction<100ms(évènementsRT)• Quantitédedonnéesrelativementfaible• Distance<1km

• Lesbuscapteurs/actionneurs• Tempsderéaction<10ms(contraintesRT)• Quelquesbits• Courtesdistances<100m

PyramideCIM=ComputerIntegratedManufactuing

Lesbusdeterrain:Exempleinfrastructure


SourceAdvantech

Lesbusdeterrain:Avantages


• Câblagesimplifié• Réductiondesfraisd’installation• Conception,installationetmiseenserviceplusrapide

• Maintenancesimplifiéeetplusefficace• Accèsauxinformationsd’étatdupériphérique• Détectionplusrapidedesdéfauts• Réparationplusrapide

• Performancesplusélevées• Faciliteladécentralisationdelacommande• Informationssurlespériphériquesaccessiblespartout

• Modularité• Flexibilitéd’extensionetdemodificationdesmachines• Connectionà« chaud »

Lesbusdeterrain:Inconvénients


• Technologiepluscomplexe• Accèsaubusrequièredespériphériquesadaptés• Conception,installationetmiseenservicepersonnelspécialisé

• Coûtslogistiquessupplémentaires• Outilsspécialiséspluscouteuxetcomplexes• Formationdespersonnels

• Manquedecompatibilitéetdenormalisation• Beaucoupdeprotocolesetdefabricants• Normalisationàtoutva(plusde20protocolesavecautantdesystèmes

d’exploitations)

Lesbusdeterrain:Caractéristiques


• Sûreté de fonctionnement : perte ou détérioration d'informations (détection deserreurs), pannes d'équipements (détection et recouvrement des pannes)

• Disponibilité et coût des équipements• Capacité d'interconnexion à des équipements hétérogènes• Distance : réseaux de faible taille (répartition géographique des équipements

limitée)• Volume : quantité relativement faible de données (notion d'évènement, variables

processus, ...)• Contraintes de temps (notion de temps réel, déterminisme, ...)• Nombre d'équipements connectables• Contraintes liées à l'environnement (température, vibrations, etc)

ModèleOSI


Couche7 APPLICATION Point d’accèsaux servicesréseaux

Couche6 PRESENTATION Miseenformedesdonnées

Couche5 SESSION Gestiondesconnexions

Couche4 TRANSPORT Vérification desdonnées

Couche3 RESEAU Routagedesdonnées

Couche2 LIAISON Transmission destrames

Couche1 PHYSIQUE Transmissiondesbitssursupportphysique

C'estunmodèledecommunicationsentreordinateursproposéparl’ISOquidécritlesfonctionnalitésnécessairesàlacommunicationetl'organisationdecesfonctions.

ModèleOSIàcouches

BUSDETERRAIN

ModèleOSIréduitpourlesRLI


CoucheOSI Nom Rôledelacouche Formatdesdonnées

Couche7 APPLICATION Interfaceentreleréseauetl’utilisateur Servicespermettantdesimplifierl’utilisationduréseau. Messages

Couche2 LIAISONDEDONNEES

Transmission Méthodesd’accèsausupport

AléatoiresCSMA/CD:DétectiondeCollision

Trame

CSMA/CA:Evitement decollision

Déterministes

Maître-esclave

Arbitre debus

Anneauàjeton

Sécurisationdeséchanges

En-têtedetrame

Bitderedondance(parité,checksum,CRC,etc.)

Couche1 PHYSIQUE

Codagedel’info. Tension

Bit

Topologie

Bus

Etoile

Anneau

Supportdetransmission

CuivreCâblecoaxial

Pairetorsadée

FibreoptiqueMonomode

Multimode

Autres Courantporteur/Radio/Infrarouge

Lesbusdeterrain:CouchePhysique


• L’utilisation des supports physiques dépend de la distance entre les stations et del’environnement dans lequel sera installé le support.Ø Paire torsadée (blindée ou non)Ø Câble coaxialØ Câble électrique (courant porteur)Ø Fibre optiqueØ Ondes radioØ Infra-rougesØ Laser

Supportphysique



• La topologie représente la manière dont les équipements d’un réseau sont reliésentre eux par le support physique

• Modes de propagation des données dans le réseau :Ø Mode de diffusion (bus ou anneau) :Utilisation d’un seul support de transmission. Le message est envoyé sur le réseau, toute lesunités du réseau sont capable de voir le message et d’analyser selon l’adresse du destinatairesi le message lui est destiné ou non.Ø Mode point à point (étoile ou maillée) :Le support physique ne relie que deux unités. Pour que toutes les unités communiquent ensemble,elles passent pas des points intermédiaires.

Topologie



Topologie en anneau :Toutes les unités sont reliées entre elles dansune boucle fermée. Les données circulentdans une direction unique, d’une unités àl’autre .Une unité n’accepte une donnée encirculation sur l’anneau que si elle correspondà son adresse, sinon la donnée est transféréeà l’unité suivante.

ØProblème si une unité est en panneØEn pratique il y a deux anneaux encontre-rotation



Topologie en étoile :L’ensemble des équipements du réseau sont reliésà un système matériel central (nœud). Ce systèmea pour rôle d’assurer la communication entre lesdifférents équipements. L’équipement centralepeut être : « hub » : concentrateur, « switch » :commutateur, « router » : routeur

Ø Facilite l’ajout de matériel ;Ø Facilite la localisation des défaillances ;ØBranchement/débranchement à chaud nepose pas de problème ;

ØTrès répanduvRelativement onéreux ;vConcentrateur défectueux = réseau panne



Topologie en hiérarchie:Cette topologie est organisé en niveaux. Lesommet de la hiérarchie est connecté à desnœuds, niveaux inférieurs. Ces nœudspeuvent également être connectés à d’autresnœuds. Le tout dessine une arborescence.Ce type d’architecture est dépendante dusystème « père », qui si il tombe en pannealors il est impossible d’établir unecommunication entre les deux branches duréseau.



Topologie en bus:Un câblage unique permet d’établir lacommunication entre l’ensemble des nœuds.Ø Le réseau n’est pas perturbé lorsqu’unestation est défectueuse

ØDans le cas d’une communicationbidirectionnelle, l’ensemble des stationsconnectées reçoivent les signaux émis surle bus

ØCoût d’installation de l’infrastructure peuélevé

ØNombre d’unités limités / la longueur dusupport



Topologie en maillé:Il s’agit d’une topologie point à point multiple.Chaque nœud peut avoir (1,N) connexionsavec les autres nœuds. Les autres nœuds sontreliés à tous les autres.ØCe type d’architecture devient vite trèscomplexe à gérer lorsqu’il y a beaucoup destations ;

ØCette topologie se rencontre dans lesgrands réseaux de distribution (ex: Internet)

Lesbusdeterrain:CoucheLiaison


Sous-coucheMAC– Contrôled’accèsaumédia

Permettent la gestion d’accès au média.- Méthodes d’accès statiques : la bande passante du support est répartie une fois pour toute

entre les stations- Méthodes d’accès dynamiques : le support est attribué à la station qui le demande

Ø Accès maître-esclaveØ Accès aléatoireØ Accès par jeton

Sous-coucheLLC– (Logical LinkControl)

Ø Filtrage des messagesØ Recouvrement des erreurs bits/trameØ Notification de surcharge

Lesbusdeterrain:terminologie


• Transmission Série : Cette transmission permet de transmettre les données sur un seulsupport physique. La transmission se fait en émettant les bits de données les uns aprèsles autres.

Le problème majeur de ce mode de transmission est la synchronisation des horloges

Transmissiondedonnées

émetteur récepteur

Horloged’émission

Horlogederéception

Liaisonsérie



• Transmission Parallèle: Les bits sont envoyés simultanément sur N voies différentes. Ilfaut autant de linges de transmission que de bits à transmettre, plus une équipotentiellezéro, plus un signal dit ‘échantillonnage, et un signa l d’acquittement

Transmissiondedonnées

émetteur récepteur

D3

D4

D2

D1

D0

ACK

STR/

GND

D3

D4

D2

D1

D0

ACK

STR/

GNDLiaisonparallèle



• Cette méthode permet d’envoyer une trame (bloc de bits d’information) sous la formed’un flot continu de bits sans bit de synchronisation START et STOP.

• La synchronisation est obtenue à l’aide d’un signal d’horloge (généralement sur uneligne séparée)

Transmissionsynchrone

• Cette méthode permet de transmettre les bits par groupes (caractères) ce qui permet aurécepteur de se synchroniser au début de chaque caractère.

• L’intervalle de temps qui sépare deux émissions de caractères est aléatoire et dépend del’émetteur

• Exemple une trame peut être constituée d’un bit START, 5 à 8 bits de données, un bit deparité et de deux bits STOP.

Transmissionasynchrone



La ligne de transmission peut être exploitée de trois manière :Ø Simplex : mode unidirectionnel, la communication de l’émetteur vers le récepteurØ Half-duplex : la communication se fait dans les deux sens mais pas simultanémentØ Full-duplex : mode bidirectionnel simultané sur le même support physique

Modesd’exploitation

Ø Codage NRZ (Non Return to Zero) unipolaire /bipolaire

Ø Codage RZ (Return to Zero) unipolaire / bipolaireØ Codage de phase (Manchester type biphasé)

Codage

Lesbusdeterrain:quelquesexemples


BusInformatiqueclassique

Busdeterrainactuel

Ø RS-232 / RS-422 et RS-485Ø I2C et SPIØ USB

Ø AS-iØ ModbusØ CAN et CANOpenØ EtherCATØ ProfibusØ PowerLink

Ø SERCOSØDeviceNet

Lesbusdeterrain


Exemple:BusI2C


• Bus informatique conçu par Philips pour les applications de domotiques etd’électronique domestique (en 1982)

• Standardisation v1.0 en 1992• Il permet de relier facilement un microprocesseur et différents circuits• Il s’agit d’un bus série synchrone bidirectionnel half-duplex• Les échanges ont toujours lieu entre un maître et un (ou tous les) esclave(s), ceci

toujours à l’initiative du maître.• La connexion est réalisée par l’intermédiaire de 2 lignes :• SDA : (Serial Data Line) Ligne de données bidirectionnelle ;• SCL : (Serial Clock Line) ligne d’horloge de synchronisation bidirectionnelle ;• Masse commune à tous les circuits ;

• Le codage utilisé est le NRZ (Non retour à zéro)

Inter-IntegratedCircuitI2C

Exemple:Modbus


• Protocole de communication non-propriétaire crée en 1979 par Micon• Initialement pour la communication sur des réseaux d’automates programmables• Fonctionne sur la base de l’architecture Maître/Esclave, échanges de type half-duplex• Deux types de dialogues :• Maître communique avec un esclave spécifique et attend sa réponse ;• Maître communique avec l’ensemble des esclaves sans attendre de réponses.

Modbus

Couche7 APPLICATION MODBUSApplicationProtocol

Couche6 PRESENTATION vide

Couche5 SESSION videCouche4 TRANSPORT videCouche3 RESEAU videCouche2 LIAISON MODBUSSerialLineProtocolCouche1 PHYSIQUE EIA/TIA - 485

Lesbusdeterrain:BusCAN


• 1983:PrésentationparBosch(équipementierAutomobile)• 1986:StandardisationISO• 1987:PremiercontrôleurparIntel82526• 1991:premièrevoituremultiplexéeparCAN• Aujourd’huitrèsrépandudanslemondeindustriel(surautomobileetc.)

ProtocoleCAN(ControllerAreaNetwork

• 1 Mbits/s (ISO 11898). La longueur du bus impacte le débit.• Souplesse de configuration• Fonctionnement multi-maître• Détections et signalisations d’erreurs• Retransmission automatique des messages altérés• Déconnexion automatique des nœuds défectueux

Propriétés

Lesbusdeterrain:BusCAN


• 1983:PrésentationparBosch(équipementierAutomobile)• 1986:StandardisationISO• 1987:PremiercontrôleurparIntel82526• 1991:premièrevoituremultiplexéeparCAN• Aujourd’huitrèsrépandudanslemondeindustriel(surautomobileetc.)

ProtocoleCAN(ControllerAreaNetwork

• Système basé sur un bus série synchrone offrant des performances temps-réel• Protocole basé sur le principe de la diffusion générale (Broadcast)• Lors de la transmission de données, aucune station n’est adressée particulier, mais

le contenu de chaque message est explicité par une ID reçue par tous les abonnés.Grâce à cet ID, les nœuds, qui sont en permanence à l’écoute du réseau,reconnaissent et traitent les messages qui les concernent sans s’occuper des autres

Fonctionnement

Lesbusdeterrain:BusPowerLink


• 2001:misesurlemarchéparlasociétéB&R• Protocoletemps-réeldéterministepourEthernetStandard(pasbesoindedriver

spécifique)• Protocoletotalementouvertetexemptdelicence• Vitessedetransmissionde100Mbits/s.Précisiondesynchronisation100ns

ProtocolePOWERLINK

• Extensiontemps-réeld’Ethernetbaséesurunmécanismedescrutation(polling)etdedécoupagetemporel

• Cycledebasesecomposedetroisphases:• Phasestart :Nœudgestionnaire(MN)émetunmessagedesyncrho• Phaseisochrone:leMNappellelesautresnœudsaémettreunetrame• Phaseasynchrone:leMNdonnelesdroitsàunnœudd’émettreenparticulier

Fonctionnement

Lesbusdeterrain:BusEtherCAT


• BusdeterrainbasésurunréseaufilairedetypeEthernet• TechnologiedéveloppéeparlasociétéBeckhoffetstandardiséeenIEC61158• Technologieentièrementpropriétaire,ellepermetunecommunicationtemps-

réelleavecdespériphériques(tempsdecycle<100µs)etjitter (<1 µs)

ProtocoleEtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)

• ProtocolebasésurCANOpen• Synchronisationparlemécanismed’horlogedistribuée• Communicationfull-duplexviacouchephysiqueEthernetspécifique(driver)• Topologiedebase:linéaire,chaqueesclaveréémetverslesuivant.Leretourdes

donnéesverslemaîtres’effectuepar« rebond »surledernieresclave.• Adressagetopologiqueautomatique

Propriétés



ModèleOSI

Couche7 APPLICATION Cyclic DataExchangeMailBox Acyclic DataAccess

Couche6 PRESENTATION vide

Couche5 SESSION videCouche4 TRANSPORT videCouche3 RESEAU videCouche2 LIAISON MailBox/Buffer Handling,Process Data

Mapping,Extreme Fast Auto-Forwarder

Ethernat MACCouche1 PHYSIQUE 100BASE-TX,100BASE-FX



Documents

Réseaux locaux industriels - eavr.u-strasbg.freavr.u-strasbg.fr/.../2015-2016/BusTerrain.pdf · Les bus de terrain / réseaux locaux industriels (RLI) Informatique Industrielle 2