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Module de cours Réseaux Locaux Industriels et Bus de Terrain provisoire, non re

Module de cours Réseaux Locaux Industriels et Bus de Terrain provisoire, non relu Merci !! Eric DECKE – 2006 - Module de Cours Réseaux Locaux Industriels et Bus de Terrain Eric DECKE Date : Janvier 2006 Version : A (provisoire, en cours de rédaction) Module de cours Version A –2006 - Page Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 2 S O M M A I R E 1 LA COMMUNICATION INDUSTRIELLE ..............................................................................6 1.1 PRE REQUIS..........................................................................................................6 1.2 PANORAMA DES BESOINS USUELS DU « MONDE INDUSTRIEL » .................7 1.2.1 Exemples de domaines d’application.......................................................7 1.2.2 Les « progiciels d’application » ..............................................................11 1.2.3 Les « équipements »..............................................................................11 1.3 LES BESOINS ET LES ECHANGES DE DONNEES..........................................12 1.3.1 Exemples de « solutions de communication ».......................................14 1.3.1.1 Protocoles................................................................................14 1.3.1.2 Bus ..........................................................................................14 2 MODÈLE OSI (OPEN SYSTEMS INTERCONNECTION)..............................................15 2.1 MODELE GENERIQUE EN COUCHES...............................................................15 2.2 SERVICES ET PRIMITIVES.................................................................................18 3 NOTIONS DE MODELISATION UTILES A L’ETUDE DES COUCHES PHYSIQUES ET LIAISON : LES AUTOMATES A ETATS FINIS..................................21 3.1 LES MACHINES D'ETATS FINIS.........................................................................21 3.2 LES ETATS ..........................................................................................................21 3.3 LES TRANSITIONS ET EVENEMENTS ..............................................................22 3.4 REPRESENTATION SOUS FORME DE TABLE DE TRANSITIONS ..................23 4 RLI ET BUS DE COMMUNICATION..................................................................................24 4.1 RESEAU ET BUS DE TERRAIN ..........................................................................24 4.2 TOPOLOGIES ......................................................................................................24 4.3 ELEMENTS D’INTERCONNEXION .....................................................................25 4.3.1 répéteurs ou amplificateurs - convertisseurs .........................................25 4.3.2 ponts ......................................................................................................25 4.3.3 routeurs..................................................................................................26 4.3.4 passerelles.............................................................................................26 Module de cours Version A –2006 - Page Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 3 4.4 RESTRICTION DU MODÈLE OSI........................................................................27 4.5 COUCHE PHYSIQUE...........................................................................................28 4.5.1 Liaison parallèle .....................................................................................29 4.5.2 Liaison série...........................................................................................29 4.5.2.1 Principales normes des liaisons séries utilisées dans les RLI. ................................................................................31 4.5.2.2 Normes V28 (électrique)..........................................................31 4.5.3 Interface Rs232......................................................................................33 4.5.4 interface Rs485......................................................................................33 4.5.5 Modes de transmission ..........................................................................35 4.5.5.1 Transmission en bande de base. ............................................35 4.5.5.2 Transmission modulée. ...........................................................36 4.5.6 Supports de transmission.......................................................................38 4.5.6.1 Représentation électrique d’un tronçon de ligne .....................38 4.5.6.2 Classes et catégories ..............................................................39 4.6 COUCHE LIAISON...............................................................................................40 4.6.1 Notion de protocole................................................................................40 4.6.2 Deux exemples de protocoles, couches OSI, et automates associés..............................................................................................41 4.6.2.1 Le protocole MODBUS RTU....................................................41 4.6.2.2 Le protocole UNITEL-WAY......................................................42 4.7 EXEMPLES DE COUCHES « APPLICATION »...................................................47 4.7.1 OPC : « standard de fait » actuel incontournable .................................47 5 LES RLI ET BUS DANS LE MONDE INDUSTRIEL...........................................................49 5.1 AVANTAGES........................................................................................................49 5.2 HISTORIQUE DE L’EVOLUTION DES CONCEPTS – STANDARDS .................50 5.2.1 Historique...............................................................................................50 5.2.2 La bouche 4-20 ma ................................................................................50 5.3 CRITERES DE COMPARAISON..........................................................................51 5.3.1 Les critères techniques ..........................................................................51 5.3.1.1 Topologiques...........................................................................51 5.3.1.2 Temporels................................................................................51 5.3.1.3 Autres ......................................................................................51 5.3.2 Les critères stratégiques........................................................................52 5.3.2.1 Standards ................................................................................52 5.3.2.2 Disponibilité de composants, de logiciels et de prestation de services..........................................................52 5.3.2.3 Autres ......................................................................................52 5.4 COMPARAISON ENTRE LES PRINCIPAUX BUS ..............................................53 Module de cours Version A –2006 - Page Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 4 5.5 HIERARCHIE DES RLI ET BUS...........................................................................54 5.6 CONSTAT.............................................................................................................55 5.7 WORLDFIP...........................................................................................................56 5.7.1 Origine de WORLDFIP...........................................................................56 5.7.2 Fonctionnement de WORLDFIP ............................................................56 5.7.2.1 Topologie.................................................................................56 5.7.2.2 Médias utilisés.........................................................................57 5.7.2.3 Principe de fonctionnement.....................................................57 5.7.3 Critères de comparaison........................................................................61 5.8 PROFIBUS ...........................................................................................................62 5.8.1 Origine de PROFIBUS ...........................................................................62 5.8.2 Fonctionnement DE PROFIBUS............................................................62 5.8.2.1 Topologie.................................................................................62 5.8.2.2 Les couches du protocole........................................................62 5.8.2.3 Médias utilisés.........................................................................62 5.8.2.4 Principes de fonctionnement ...................................................63 5.9 CAN ......................................................................................................................66 5.9.1 Origine de CAN......................................................................................66 5.9.2 Fonctionnement de CAN........................................................................66 5.9.3 Critères de comparaison........................................................................67 5.10 INTERBUS..........................................................................................................68 5.10.1 Origine d’INTERBUS............................................................................68 5.10.2 Fonctionnement d’INTERBUS .............................................................68 5.10.3 Critères de comparaison......................................................................69 5.11 LON ....................................................................................................................70 5.11.1 Origine de LAN.....................................................................................70 5.11.2 Fonctionnement de LON......................................................................70 5.11.3 Critère de comparaison........................................................................70 5.12 EXEMPLE DE COMPARATIF DE BUS : WORLDFIP / PROFIBUS...................71 6 COMMUNICATION INTER-USINE : LES RESEAUX DE TRANSPORT ...........................72 6.1 NOTIONS DE BASE.............................................................................................72 6.2 LES PRINCIPES DE COMMUTATION ................................................................73 6.2.1 Commutation de circuits - Exemple : RTC .............................................73 6.2.2 la Commutation de messages - Exemple : télex, Email.........................75 6.2.3 Commutation de paquets - Exemple : Transpac (X25), Internet (TCP/IP)..............................................................................................76 Module de cours Version A –2006 - Page Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 5 6.2.4 Commutation de cellules - Exemple : ATM............................................77 6.2.5 MODE NON CONNECTÉ (CNLS) .........................................................77 6.2.6 MODE CONNECTÉ (CONS) .................................................................78 6.2.7 MODE ORIENTÉ CONNEXION.............................................................79 6.2.8 Commutation pour le réseau transpac...................................................79 6.2.9 Circuit virtuel ..........................................................................................79 6.2.10 Exemple d’établissement d’un circuit virtuel ........................................81 6.2.11 le routage dans les nœuds...................................................................82 7 RESUME DES RECOMMANDATIONS DU CCITT ............................................................84 8 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................87 Module de cours Version A –2006 - Page © Eric Decke Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 6 1 LA COMMUNICATION INDUSTRIELLE 1.1 Pré requis La communication entre les constituants des systèmes industriels (PC, automates, commandes numériques, capteurs/actionneurs..) est une problématique technique de la conception des applications en informatique industrielle. La mise en œuvre d’une solution de « communication » passe par la sélection et la mise en œuvre de couches logicielles de communication de types : pilotes système (driver), librairies de fonctions de communication (API : « Application Programmable Interface », « handler »), serveurs de données (serveur DDE, OPC DA –HDA-AE…) et de divers matériels (coupleurs internes, ports de communication, interfaces réseaux..). Sont nécessaires à la compréhension de ce domaine les connaissances relatives : • aux besoins génériques en terme d’applications industrielles (à quoi sert la communication industrielle et quels sont les composants industriels qui sollicitent des services de communication) ; • aux 7 couches du modèle OSI : les « composants matériels et logiciels » mis en oeuvre pour la communication sont organisés et structurés en terme de leur réalisation et des services qu’ils proposent ; • aux éléments d’architectures élémentaires de communication (circuit de données : DTE, DCE, modems, jonctions, ligne, composants de réseaux…) ; • à la modélisation « événementielle » des couches de communication (par automates à états finis), utile aux phases de conception / réalisation (et d’étude / compréhension…) des différents « mécanismes d’échanges de données » ; • aux techniques de transfert élémentaire de l’information (codage, mécanismes de transfert, modulation…) • aux topologies de réseau (étoiles, maillés, bus, mixtes…) • aux notions de protocoles ( trames, adressage, checksum, maître, esclave, bus….) • aux principaux « réseaux locaux industriels » (RLI) et Bus de communication, « standard de fait » (MODBUS, CAN..). Module de cours Version A –2006 - Page Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 7 1.2 Panorama des besoins usuels du « monde industriel » Les usines, les bâtiments, les voitures, les avions sont de plus en plus automatisés pour assurer sécurité, fonctionnalité et confort à l’être humain. Pour ce faire on a besoin de récolter des informations sur l’environnement par l’intermédiaire d’éléments simples tels que des capteurs et de les analyser. On fait traiter ensuite ces données par des outils, automates programmables ou ordinateurs. Une fois les données analysées et traitées, on agit sur l’environnement par l’intermédiaire d’actionneurs si besoin est. On peut retrouver des éléments récoltant des informations tels que des capteurs de températures, des capteurs de pression, des détecteurs d’incendie, des détecteurs de personnes… et des éléments apportant une action tels que des moteurs pas à pas, des électrovannes, des champs électromagnétiques… On comprend bien que tous ces éléments aient besoins de communiquer entres eux, dans certains cas comme pour la sécurité, la communication doit se faire de façon simple, rapide et fiable; dans d’autres cas, pour des motifs de coût, sont implémentation doit elle aussi être simple, rapide et fiable. Lors de l’assemblage d’une voiture par exemple, la connexion des capteurs doit pouvoir se faire par un opérateur sans qu’il ait des connaissances techniques particulières. Ces éléments de par leurs nombres engendrent une multitude de fils nécessaires à leur alimentation et à la transmission de leurs données. Le bus de terrain (FieldBus) prend en compte toutes ces exigences, il a été conçu pour ça. La composition dun bus peut être décrite en deux parties, une partie matérielle composée d’un média physique sur lequel transitent l’alimentation électrique des éléments définis ci-dessus et leurs transferts de données et une partie logicielle composée d’une multitude de composantes logicielles fournissant le protocole de communication, les échanges d’informations, la supervision, la sécurité, les interfaces et bien d’autres fonctions. 1.2.1 EXEMPLES DE DOMAINES D’APPLICATION Le bus de terrain peut être utilisés pour divers besoins, la sécurité, le confort, l’assistance, l’aide à la décision, la fonctionnalité, etc., l’utilisation de ces besoins peuvent être cumulés suivant les domaines d’application. Les domaines d’application peuvent être un bâtiment, une usine, une voiture, un bateau, un train, une centrale nucléaire, un hôpital. Domaine d’application : Le bâtiment : pour des besoins de sécurité, les bâtiments haut de gamme possèdent des capteurs permettant de détecter la fumer provenant d’un incendie. L’ordinateur relié aux capteurs analyse les informations provenant des capteurs et envoie un ordre de fermeture à un mécanisme de commande des portes automatiques pour cantonner l’incident et un ordre aux actionneurs de commande des buses pour qu’elle propulse le liquide afin d’éteindre l’incendie. Pour des besoins de confort, les bâtiments climatisés possèdent des capteurs de température et des arrivées d’air régulés dans chaque pièce, si la température d’une pièce venait à changer, Module de cours Version A –2006 - Page Réseaux Locaux Industriels & Bus de Terrain 8 l’automate envoie un ordre au mécanisme régulant l’arrivée d’air pour obtenir la température voulue. Domaine d’application : la voiture, exemple de CAN : Pour satisfaire les exigences de plus en plus importantes du client en matière de sécurité et de confort, et pour uploads/Industriel/ rci-reseaux-et-communication-industrielle-td-n-1.pdf