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Introduction aux Réseaux et
Communications Industriels
(Bus de terrain)
TARIK ZAKARIA BENMERAR, PHD
DEPARTEMENT INSTRUMENTATION ET AUTOMATIQUE, USTHB
Buses de communication dans la pratique
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Buses de communication
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(Supervisory control and
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Couches OSI et Bus de terrain
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Couches OSI et Bus de terrain
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Couches OSI et Bus de terrain
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Modbus Over TCP/IP ou UDP/IP, CANOpen, EtherCat sur TCP/CP
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Modbus fournit aussi l’adressage dans certains cas.
Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux
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Ethernet fournit un modèle de trame et gère les collisions.
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Répéteur = Repeater
Concentrateur = hub
Convertisseur =
transceiver
Switch
Pont = Bridge
Routeur = Router
Passerelle = Gateway
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CANopen
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Interbus
Profibus-DP
FIPI
O
ModbusLS
Historique
Figure n°2
Régulateur PID
pneumatique
Figure n°1
Poste de
commande
pneumatique
d’une turbine à
vapeur
Avant les années 1950, les
systèmes de commande pour les
longues distances étaient souvent
pneumatiques et utilisaient des
compresseurs bruyants et
encombrants de 20 à 50 ch pour
le contrôle HVAC/R d’un
bâtiment par exemple.
HVAC/R : Heating, ventilation
and Air Conditioning /
Refrigeration (Chauffage,
ventilation et climatisation /
réfrigération)
Historique
Figure n°3 Salle de contrôle (1950)
Les câbles électriques étant plus faciles
à passer qu’une distribution
pneumatique, cette technologie
électronique permit de mettre en œuvre
des algorithmes de contrôles beaucoup
plus élaborés et complexes.
A partir des années 1950, les
systèmes de contrôle
électriques puis électroniques
ont remplacé la technologie
pneumatique.
Figure n°4 Salle de contrôle (1960)
Historique
• Transmettre sur de longues distances,
sans distorsion, les informations
fournies par les capteurs.
• Être le plus insensible possible aux
perturbations.
• Limiter le nombre de conducteurs
électriques (alimentation et
information).
• Plusieurs récepteurs peuvent
exploiter la même information.
La boucle de courant
4 – 20 mA
Objectifs à atteindre
Historique
Tension ou courant
• Une transmission en tension présente les caractéristiques suivantes :
- facilité de mise en œuvre,
- distance franchissable faible en raison des chutes de tension dans les
conducteurs,
- sensible aux bruits surtout si l’impédance d’entrée des récepteurs est
élevée (pour augmenter la distance  I faible).
• Une transmission en courant présente les caractéristiques suivantes :
- facilité de mise en œuvre avec un coût légèrement supérieur,
- distance franchissable importante car les chutes de tension
n’interfèrent pas dans la transmission de l’information,
- insensible aux perturbations.
Historique
Principe et Fonctionnement de la boucle de courant
Intervalle de mesuresAlimentation
du transmetteur
0 4 20 et au-delà mA
Hors
fonctionnement
Historique
Les éléments de la boucle
• Assure la mesure à l’aide du capteur
Transmetteur
• Convertit cette mesure en un courant de 4
mA à 20 mA
Alimentation • Fournit le courant nécessaire dans la
boucle. Les valeurs courantes de cette
alimentation continue sont : 36, 24 ou 12
V
Historique
Avantages de la boucle de courant
• Coût d’installation relativement faible
• Quasiment insensible aux bruits électriques et électromagnétiques
• Capacité de transporter des signaux analogiques sur de longues distances
« sans » problème de chutes de tension dans les conducteurs
• Plusieurs récepteurs peuvent être placés dans la boucle pour exploiter la
même information.
• 2 conducteurs suffisent avec une alimentation continue
Historique
Avantages de la boucle de courant
Après l’apparition de la communication numérique, cette technique a été
rapidement remplacée par les bus de terrain.
Cela permet plusieurs avantages:
Réduction des coûts initiaux :
Réduction massive du câblage : un seul câble en général pour tous les équipements
au lieu d’un par équipement
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Chapitre 4 - couche liaison
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Chapitre 3 - connecteurs et câbles
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Chapitre 2 - Transmission
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Chapitre 1 - notions fondamentales
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Chapitre 9 - les interruptions
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Chapitre 7 - la pile
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Chapitre 6 - les instructions de chaînes de caractères
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Chapitre 5 - fichiers EXE-COM pour le dos
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Chapitre 4 - les instructions de saut et conditions
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Chapitre 3 - échanges de données et opérations arithmétiques - binaires
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Chapitre 2.2 - architecture d'un microprocesseur - jeux d'instructions et reg...
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Chapitre 2.1 - architecture d'un microprocesseur - bus et communication
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Chapitre 1 - représentation numérique des données
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Chapitre 3 - Protocole Bus CAN (2020/2021
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Chapitre 4 - Réseaux Ethernet
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Cours Bus de communication et réseaux industriels. Chapitre 1 : introduction.

  • 1. Introduction aux Réseaux et Communications Industriels (Bus de terrain) TARIK ZAKARIA BENMERAR, PHD DEPARTEMENT INSTRUMENTATION ET AUTOMATIQUE, USTHB
  • 2. Buses de communication dans la pratique Exemple 1 : Contrôle, Diagnostique et lecture de données de capteurs Actionneur Capteur Système Electronique Complexe Bus de communication
  • 3. Buses de communication dans la pratique Exemple 1 : Scanner Automobile
  • 4. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : CapteurCapteurActionneur Actionneur PLC (Programmable Logic Controller) Contrôle, diagnostique et lecture de données de capteurs Bus de communication HMI
  • 5. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Système SCADA (Supervisory control and data acquisition )
  • 6. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 :
  • 7. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Avant SCADA
  • 8. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Avant SCADA
  • 9. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Les avantages des buses de terrrain dans SCADA Réduction des coûts d’installation
  • 10. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Les avantages des buses de terrrain dans SCADA Diminution de la sensibilité aux perturbations électromagnétiques
  • 11. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Les avantages des buses de terrrain dans SCADA Répartition possible de l’intelligence
  • 12. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Les avantages des buses de terrrain dans SCADA Précision du diagnostic en cas de défaut
  • 13. Buses de communication dans la pratique Exemple 2 : Les avantages des buses de terrrain dans SCADA Remplacement d’équipements défectueux facilité
  • 14. Un définition des bus de terrain  Terrain : Espace géographique limité.  Bus : Ensemble de conducteurs commun à plusieurs circuits.  Réseau : bus ou ensemble de bus répartis sur un terrain. Un bus de terrain est donc un système de communication entre plusieurs ensembles communiquant dans une zone géographique limitée (capteurs, calculateurs, automates, actionneurs, ...)
  • 15. Couches OSI et Bus de terrain • Les protocoles de bus de Communication se trouvent au niveau Application.
  • 16. Couches OSI et Bus de terrain Plusieurs utilisations possibles
  • 17. Couches OSI et Bus de terrain Modbus Over RS232 (Communication point-à-point) Modbus fournit un modèle de trame. Pas d’adressage physique.
  • 18. Couches OSI et Bus de terrain Modbus Over RS485 (Communication en bus), EtherCat, Bus CAN La communication en Bus de terrain majoritairement utilise les 2 premières couches. Modbus/Ethercat/Bus CAN fournissent un modèle de trame. Adressage physique avec MAC pour EtherCat, Attribution Id pour Bus Can, et Unit Id pour ModBus. Bus CAN inclut une gestion de collision.
  • 19. Couches OSI et Bus de terrain Modbus Over TCP/IP ou UDP/IP, CANOpen, EtherCat sur TCP/CP L’adressage logique et le routages sont fournis par IP. Modbus fournit aussi l’adressage dans certains cas. Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux sont fournis par TCP Ethernet fournit un modèle de trame et gère les collisions.
  • 20. Couches OSI et Bus de terrain L’adressage logique et le routages sont fournis par IP. Modbus fournit aussi l’adressage dans certains cas. Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux sont fournis par TCP Ethernet fournit un modèle de trame et gère les collisions. Modbus Over TLS TLS gère le chiffrement. TLS gère l’authentification.
  • 21. Couches OSI et Bus de terrain
  • 22. Couches OSI et Bus de terrain
  • 23. Couches OSI et Bus de terrain
  • 24. Couches OSI et Bus de terrain
  • 25. Couches OSI et Bus de terrain
  • 26. Couches OSI et Bus de terrain Modèle de requête/réponse au niveau applicatif
  • 27. Couches OSI et Bus de terrain Modèle de donnée au niveau applicatif  Donnée en entrée/en sortie (Commande moteur, Capteur).  Donnée binaire/analogique (On/Off, Vitesse moteur).
  • 28. Couches OSI et Bus de terrain OSI – Niveau Physique Les connecteurs DB-9 USB RJ-45 (Ethernet) Connecteur profibus (DB-9)
  • 29. Couches OSI et Bus de terrain OSI – Niveau Physique Les connecteurs Connecteurs fibre optique (Ethernet)
  • 30. Couches OSI et Bus de terrain OSI – Niveau Physique Les câbles Cable fibre optique Cable Ethernet CAT-8 (40 Gbps) Cable Profibus
  • 31. Couches OSI et Bus de terrain OSI – Niveau Physique Les câbles  Le choix du câble ou support de transmission influe sur 4 aspects importants :  La vitesse.  La distance.  L’immunité électromagnétique.  Le coût.
  • 32. Les équipements de réseaux Répéteur = Repeater Concentrateur = hub Convertisseur = transceiver Switch Pont = Bridge Routeur = Router Passerelle = Gateway Longueur - Nombre équipements Adaptation support physique Longueur - Nombre équipements - Collisions Adaptation couches basses Connexion entre réseaux de même type Connexion entre réseaux de type différents Couche 1 physique Couche 2 liaison Couche 3 réseau Couche 7 application
  • 33. Les équipements de réseaux Répéteur (Repeater) Exemple : Répéteur ASi Rérérence : XZMA1 Connexion sur câble plat par prise vampire Répéteur = Repeater Augmentation longueur et nombre d’équipements raccordables par ajout d’un nouveau segment Amplificateur de signal 1 1 Segment 2Segment 1
  • 34. Les équipements de réseaux Répéteur (Repeater) Répéteur 100 m 200 m
  • 35. Les équipements de réseaux Exemple : Hub Ethernet 10 Mbits/s - 4 ports RJ45 Rérérence : 499NEH10410 4 x 10baseT Concentrateur (Hub) Concentrateur = Hub 1 1 1 1 Augmentation longueur et nombre d’équipements par ajout de plusieurs segments. 1 équipement par segment. Topologie en étoile. Il amplifie un signal reçu sur un port vers tous les autres ports
  • 36. Les équipements de réseaux Switch Exemple : Swith Ethernet 10/100 Mbits/s 8 ports Rérérence : 499NES18100 8 x 10baseT / 100baseTX (RJ45) Switch 1 Augmentation longueur et nombre d’équipements par ajout de plusieurs segments. Topologie en étoile. Sur réception d ’un message, analyse l’adresse du destinataire et transmet sur le port correspondant. 2 1 2 1 2 1 2
  • 37. Les équipements de réseaux Convertisseur (Transceiver) Exemple : Transceiver Ethernet 100 Mbits/s paires torsadées - fibre optique Rérérence : 499NTR10100 Conversion 100baseTX (RJ45) - 100baseFX (SC) Convertisseur = Transceiver Adaptation de supports physiques de nature différente. Convertisseur de signaux. 1 1 Segment 2Segment 1
  • 38. Les équipements de réseaux Pont (Bridge) Exemple : Bridge Ethernet TCP-IP Modbus / Modbus liaison série Rérérence : 174CEV30010 Interface Ethernet : 1 x 10baseT = RJ45 Interface Modbus : RS232 ou RS485 sur RJ45 ou bornes à vis Pont = Bridge Permet de relier 2 réseaux utilisant la même couche application mais des couches basses différentes1 1 Réseau 2Réseau 1 2 2
  • 39. Les équipements de réseaux Passerelle (Gateway) Exemple : Passerelle Profibus-DP - Modbus liaison série Rérérence : LUFP7 Interface Profibus-DP (esclave) : Sub-D 9 points Interface Modbus (maître) : RS485 sur RJ45 Passerelle = Gateway Permet de relier 2 réseaux de nature complètement différente 2 2 Réseau 2Réseau 1 7 7 1 1 Nécessite une configuration logicielle
  • 40. Les équipements de réseaux Routeur (Router) Exemple : Routeur Ethernet d’Allied Data Routeur = Router Permet de router des informations entre réseaux utilisant la même couche application Principalement utilisé par Internet par l’intermédiaire d’adresses IP 2 2 Réseau 2Réseau 1 3 3 1 1
  • 44. Topologie Etoile ModBus Over TCP/IP (Couche Liaison Seulement, Ethernet)
  • 50. Pyramide CIM et Réseaux locaux Pyramide CIM
  • 51. Pyramide CIM et Réseaux locaux Pyramide CIM
  • 52. Pyramide CIM et Réseaux locaux Réseaux Locaux Système d’information PC - Serveurs Niveau 3 Entreprise Data bus Niveau 2 Atelier Field bus Gestion de production Supervision Automates - IHM Niveau 1 Machine Device bus Le contrôle commande Variateurs de vitesse Ilots d ’automatismes Détection réaction Capteurs actionneurs digitaux Niveau 0 Constituants Sensor bus
  • 53. Pyramide CIM et Réseaux locaux Réseaux Locaux
  • 54. Pyramide CIM et Réseaux locaux Réseaux LocauxSensor bus Device bus Field bus Data bus ASi Seriplex Profibus-FMS FIPWAY ModbusPlus Ethernet CANopen DeviceNet Interbus Profibus-DP FIPI O ModbusLS
  • 55. Historique Figure n°2 Régulateur PID pneumatique Figure n°1 Poste de commande pneumatique d’une turbine à vapeur Avant les années 1950, les systèmes de commande pour les longues distances étaient souvent pneumatiques et utilisaient des compresseurs bruyants et encombrants de 20 à 50 ch pour le contrôle HVAC/R d’un bâtiment par exemple. HVAC/R : Heating, ventilation and Air Conditioning / Refrigeration (Chauffage, ventilation et climatisation / réfrigération)
  • 56. Historique Figure n°3 Salle de contrôle (1950) Les câbles électriques étant plus faciles à passer qu’une distribution pneumatique, cette technologie électronique permit de mettre en œuvre des algorithmes de contrôles beaucoup plus élaborés et complexes. A partir des années 1950, les systèmes de contrôle électriques puis électroniques ont remplacé la technologie pneumatique. Figure n°4 Salle de contrôle (1960)
  • 57. Historique • Transmettre sur de longues distances, sans distorsion, les informations fournies par les capteurs. • Être le plus insensible possible aux perturbations. • Limiter le nombre de conducteurs électriques (alimentation et information). • Plusieurs récepteurs peuvent exploiter la même information. La boucle de courant 4 – 20 mA Objectifs à atteindre
  • 58. Historique Tension ou courant • Une transmission en tension présente les caractéristiques suivantes : - facilité de mise en œuvre, - distance franchissable faible en raison des chutes de tension dans les conducteurs, - sensible aux bruits surtout si l’impédance d’entrée des récepteurs est élevée (pour augmenter la distance  I faible). • Une transmission en courant présente les caractéristiques suivantes : - facilité de mise en œuvre avec un coût légèrement supérieur, - distance franchissable importante car les chutes de tension n’interfèrent pas dans la transmission de l’information, - insensible aux perturbations.
  • 59. Historique Principe et Fonctionnement de la boucle de courant Intervalle de mesuresAlimentation du transmetteur 0 4 20 et au-delà mA Hors fonctionnement
  • 60. Historique Les éléments de la boucle • Assure la mesure à l’aide du capteur Transmetteur • Convertit cette mesure en un courant de 4 mA à 20 mA Alimentation • Fournit le courant nécessaire dans la boucle. Les valeurs courantes de cette alimentation continue sont : 36, 24 ou 12 V
  • 61. Historique Avantages de la boucle de courant • Coût d’installation relativement faible • Quasiment insensible aux bruits électriques et électromagnétiques • Capacité de transporter des signaux analogiques sur de longues distances « sans » problème de chutes de tension dans les conducteurs • Plusieurs récepteurs peuvent être placés dans la boucle pour exploiter la même information. • 2 conducteurs suffisent avec une alimentation continue
  • 62. Historique Avantages de la boucle de courant Après l’apparition de la communication numérique, cette technique a été rapidement remplacée par les bus de terrain. Cela permet plusieurs avantages: Réduction des coûts initiaux : Réduction massive du câblage : un seul câble en général pour tous les équipements au lieu d’un par équipement  Possibilité de réutiliser le câblage analogique existant dans certains cas Réduction du temps d’installation Réduction du matériel nécessaire à l’installation

Notes de l'éditeur

  1. • Le deuxième niveau, ou « niveau de contrôle », comprend les dispositifs logiques comme les ordinateurs, les API, PID, etc. • Le « niveau de supervision » (troisième niveau) correspond aux systèmes d’acquisition et de contrôle des données (SCADA).
  2. # Le volume d ’informations à transmettre # et le temps de réponse sont les 2 critères essentiels pour établir une classification des réseaux locaux On peut distinguer à partir de ces 2 critères 4 niveaux de réseaux # Au niveau 0 les “sensor bus” dédiés au câblage de constituants basiques permettent de raccorder des produits basiques de type capteurs ou actionneurs digitaux # On y trouve des détecteurs photo-électriques ou inductifs, des détecteurs de fin de course, des colonnes lumineuses On y échange quelques bits en quelques milli-secondes # Au niveau 1 les “device bus” permettent le contrôle-commande au niveau d’une machine # on y raccorde des équipements de type variateur de vitesse, ilôts d’automatisme, interfaces d’entrées-sorties digitales et analogiques Quelques mots sont échangés en quelques dizaines de milli-secondes # Au niveau 2 les “field bus” permettent de gérer et superviser la production d’un atelier # c’est le domaine des automates programmables et des superviseurs On y échange quelques dizaines de mots en quelques centaines de milli-secondes # Au niveau 3 les “data bus” véhiculent les données de gestion de l’’entreprise # au travers de PC et serveurs On y transporte un gros volume d’information sans contrainte de temps.
  3. # Le volume d ’informations à transmettre # et le temps de réponse sont les 2 critères essentiels pour établir une classification des réseaux locaux On peut distinguer à partir de ces 2 critères 4 niveaux de réseaux # Au niveau 0 les “sensor bus” dédiés au câblage de constituants basiques permettent de raccorder des produits basiques de type capteurs ou actionneurs digitaux # On y trouve des détecteurs photo-électriques ou inductifs, des détecteurs de fin de course, des colonnes lumineuses On y échange quelques bits en quelques milli-secondes # Au niveau 1 les “device bus” permettent le contrôle-commande au niveau d’une machine # on y raccorde des équipements de type variateur de vitesse, ilôts d’automatisme, interfaces d’entrées-sorties digitales et analogiques Quelques mots sont échangés en quelques dizaines de milli-secondes # Au niveau 2 les “field bus” permettent de gérer et superviser la production d’un atelier # c’est le domaine des automates programmables et des superviseurs On y échange quelques dizaines de mots en quelques centaines de milli-secondes # Au niveau 3 les “data bus” véhiculent les données de gestion de l’’entreprise # au travers de PC et serveurs On y transporte un gros volume d’information sans contrainte de temps.
  4. # Le volume d ’informations à transmettre # et le temps de réponse sont les 2 critères essentiels pour établir une classification des réseaux locaux On peut distinguer à partir de ces 2 critères 4 niveaux de réseaux # Au niveau 0 les “sensor bus” dédiés au câblage de constituants basiques permettent de raccorder des produits basiques de type capteurs ou actionneurs digitaux # On y trouve des détecteurs photo-électriques ou inductifs, des détecteurs de fin de course, des colonnes lumineuses On y échange quelques bits en quelques milli-secondes # Au niveau 1 les “device bus” permettent le contrôle-commande au niveau d’une machine # on y raccorde des équipements de type variateur de vitesse, ilôts d’automatisme, interfaces d’entrées-sorties digitales et analogiques Quelques mots sont échangés en quelques dizaines de milli-secondes # Au niveau 2 les “field bus” permettent de gérer et superviser la production d’un atelier # c’est le domaine des automates programmables et des superviseurs On y échange quelques dizaines de mots en quelques centaines de milli-secondes # Au niveau 3 les “data bus” véhiculent les données de gestion de l’’entreprise # au travers de PC et serveurs On y transporte un gros volume d’information sans contrainte de temps.