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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
Exemple 1 :
Contrôle, Diagnostique et
le
Actionneur
Capteur
Système Electronique
Complexe
Bus de
communication
Buses de communication dans la pratique
Exemple 1 :
Scanner Automobile
Buses de communication dans la pratique
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de données de capteurs
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communication HMI
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Buses de communication dans la pratique
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dans la pratique
Exemple 2 :
Avant SCADA
Buses de communication
dans la pratique
Exemple 2 :
Avant SCADA
Buses de communication
Les avantages des buses de terrrain
dans SCADA
dans la pratique
Exemple 2 : Réduction des coûts d’installation
Buses de communication
Les avantages des buses de terrrain
dans SCADA
dans la pratique
Exemple 2 : Diminution de la sensibilité aux
perturbations électromagnétiques
Buses de communication
Les avantages des buses de terrrain
dans SCADA
dans la pratique
Exemple 2 : Répartition possible de l’intelligence
Buses de communication
Les avantages des buses de terrrain
dans SCADA
dans la pratique
Exemple 2 : Précision du diagnostic en cas de défaut
Buses de communication
dans la pratique
Exemple 2 :
Les avantages des buses de terrrain
dans SCADA
Remplacement d’équipements défectueux
facilité
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, ...)
Couches OSI et Bus de terrain
• Les protocoles de bus de
Communication se trouvent au
niveau Application.
Couches OSI et Bus de terrain
Plusieurs utilisations possibles
Couches OSI et Bus de terrain
Modbus Over RS232 (Communication point-à-point)
Modbus fournit un modèle de trame. Pas d’adressage physique.
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.
Couches OSI et Bus de terrain
Modbus Over TCP/IP ou UDP/IP, CANOpen, EtherCat sur TCP/CP
Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux
sont fournis par TCP
L’adressage logique et le routages sont fournis par IP.
Modbus fournit aussi l’adressage dans certains cas.
Ethernet fournit un modèle de trame et gère les collisions.
Couches OSI et Bus de terrain
L’adressage logique et le routages sont fournis par IP.
Modbus fournit aussi l’adressage dans certains cas.
Ethernet fournit un modèle de trame et gère les collisions.
Modbus Over TLS
TLS gère le chiffrement.
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Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux
sont fournis par TCP
Couches OSI et Bus de terrain
Couches OSI et Bus de terrain
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Couches OSI et Bus de terrain
Modèle de requête/réponse au niveau applicatif
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).
Couches OSI et Bus de terrain
Les connecteurs
DB-9
RJ-45 (Ethernet)
USB
Connecteur profibus
(DB-9)
OSI – Niveau Physique
Couches OSI et Bus de terrain
OSI – Niveau Physique
Les connecteurs
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(Ethernet)
Couches OSI et Bus de terrain
Les câbles
Cable fibre optique Cable Ethernet CAT-8
(40 Gbps)
OSI – Niveau Physique
Cable Profibus
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.
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
Les équipements de réseaux
Exemple :
Répéteur ASi
Rérérence : XZMA1
Connexion sur câble plat par prise
vampire
Répéteur (Repeater)
Répéteur = Repeater
1 1
Augmentation longueur et nombre d’équipements
raccordables par ajout d’un nouveau segment
Amplificateur de signal
Segment 2
Segment 1
Les équipements de réseaux
Répéteur
100 m
200 m
Répéteur (Repeater)
Les équipements de réseaux
Exemple :
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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
Les équipements de réseaux
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Swith Ethernet 10/100 Mbits/s 8 ports
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8 x 10baseT / 100baseTX (RJ45)
Switch
Switch
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 2 2
1 1 1
Les équipements de réseaux
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.
Convertisseur = Transceiver
1 1
Segment 2
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Les équipements de réseaux
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)
Pont = Bridge
Permet de relier 2 réseaux utilisant la même couche
application mais des couches basses différentes
Réseau 2
Réseau 1
2
1
2
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Les équipements de réseaux
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
Réseau 2
Réseau 1
Passerelle = Gateway
7 7
2
1
2
1
Nécessite une configuration logicielle
Les équipements de réseaux
Routeur (Router)
Exemple :
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Routeur = Router
Permet de router des informations entre réseaux
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Réseau 2
3 3
2 2
1 1
Réseau 1
Topologie
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RS232
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Bus
ModBus Over RS285, DeviceNet
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Bus
DeviceNet
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Etoile
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ModBus Over TCP/IP, Seriplex
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Pyramide CIM et Réseaux locaux
Pyramide CIM
Pyramide CIM et Réseaux locaux
Pyramide CIM
Pyramide CIM et Réseaux locaux
Réseaux Locaux
Système d’information
PC - Serveurs
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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
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Sensor bus
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Pyramide CIM et Réseaux locaux
Réseaux Locaux
Sensor bus
Device bus
Field bus
Data bus
ASi
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FIPWAY
Profibus-FMS
Modbus
Plus
Ethernet
CANopen
Interbus
DeviceNet
FIP
I
O
Profibus-DP
Modbus
LS
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
andAir Conditioning /
Refrigeration (Chauffage,
ventilation et climatisation /
réfrigération)
Historique
Figure n°3 Salle de contrôle (1950)
à passer qu’une distribution
pneumatique, cette technologie
électronique permit de mettre en œuvre
des algorithmes de contrôles beaucoup
plus élaborés et complexes.
Apartir des années 1950, les
systèmes de contrôle
électriques puis électroniques
ont remplacé la technologie
pneumatique.
Figure n°4 Salle de contrôle (1960)
Les câbles électriques étant plus faciles
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).
La boucle de courant
4 – 20 mA
• Plusieurs récepteurs peuvent
exploiter la même information.
Objectifs à atteindre
Historique
• 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.
Tension ou courant
Historique
Intervalle de mesures
Alimentation
du transmetteur
0 4 20 et au-delà mA
Principe et Fonctionnement de la boucle de courant
Hors
fonctionnement
Historique
• 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
Les éléments de la boucle
Historique
• Coût d’installation relativement faible
• 2 conducteurs suffisent avec une alimentation continue
• 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.
Avantages de la boucle de courant
Historique
Après l’apparition de la communication numérique, cette technique a été
rapidement remplacée par les bus de terrain.
Cela permet plusieurs avantages:
Réduction des coûtsinitiaux :
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
Avantages de la boucle de courant

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  • 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 le 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 : Capteur Capteur Actionneur 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 Les avantages des buses de terrrain dans SCADA dans la pratique Exemple 2 : Réduction des coûts d’installation
  • 10. Buses de communication Les avantages des buses de terrrain dans SCADA dans la pratique Exemple 2 : Diminution de la sensibilité aux perturbations électromagnétiques
  • 11. Buses de communication Les avantages des buses de terrrain dans SCADA dans la pratique Exemple 2 : Répartition possible de l’intelligence
  • 12. Buses de communication Les avantages des buses de terrrain dans SCADA dans la pratique Exemple 2 : 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 Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux sont fournis par TCP L’adressage logique et le routages sont fournis par IP. Modbus fournit aussi l’adressage dans certains cas. 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. Ethernet fournit un modèle de trame et gère les collisions. Modbus Over TLS TLS gère le chiffrement. TLS gère l’authentification. Le contrôle d’erreur, segmentation/Désegmentation, contrôle de flux sont fournis par TCP
  • 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 Les connecteurs DB-9 RJ-45 (Ethernet) USB Connecteur profibus (DB-9) OSI – Niveau Physique
  • 29. Couches OSI et Bus de terrain OSI – Niveau Physique Les connecteurs Connecteurs fibre optique (Ethernet)
  • 30. Couches OSI et Bus de terrain Les câbles Cable fibre optique Cable Ethernet CAT-8 (40 Gbps) OSI – Niveau Physique 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 Exemple : Répéteur ASi Rérérence : XZMA1 Connexion sur câble plat par prise vampire Répéteur (Repeater) Répéteur = Repeater 1 1 Augmentation longueur et nombre d’équipements raccordables par ajout d’un nouveau segment Amplificateur de signal Segment 2 Segment 1
  • 34. Les équipements de réseaux Répéteur 100 m 200 m Répéteur (Repeater)
  • 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 Exemple : Swith Ethernet 10/100 Mbits/s 8 ports Rérérence : 499NES18100 8 x 10baseT / 100baseTX (RJ45) Switch Switch 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 2 2 1 1 1
  • 37. Les équipements de réseaux 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. Convertisseur = Transceiver 1 1 Segment 2 Segment 1
  • 38. Les équipements de réseaux 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) Pont = Bridge Permet de relier 2 réseaux utilisant la même couche application mais des couches basses différentes Réseau 2 Réseau 1 2 1 2 1
  • 39. Les équipements de réseaux 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 Réseau 2 Réseau 1 Passerelle = Gateway 7 7 2 1 2 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 Réseau 2 3 3 2 2 1 1 Réseau 1
  • 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 Locaux Sensor bus Device bus Field bus Data bus ASi Seriplex FIPWAY Profibus-FMS Modbus Plus Ethernet CANopen Interbus DeviceNet FIP I O Profibus-DP Modbus LS
  • 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 andAir Conditioning / Refrigeration (Chauffage, ventilation et climatisation / réfrigération)
  • 56. Historique Figure n°3 Salle de contrôle (1950) à passer qu’une distribution pneumatique, cette technologie électronique permit de mettre en œuvre des algorithmes de contrôles beaucoup plus élaborés et complexes. Apartir des années 1950, les systèmes de contrôle électriques puis électroniques ont remplacé la technologie pneumatique. Figure n°4 Salle de contrôle (1960) Les câbles électriques étant plus faciles
  • 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). La boucle de courant 4 – 20 mA • Plusieurs récepteurs peuvent exploiter la même information. Objectifs à atteindre
  • 58. Historique • 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. Tension ou courant
  • 59. Historique Intervalle de mesures Alimentation du transmetteur 0 4 20 et au-delà mA Principe et Fonctionnement de la boucle de courant Hors fonctionnement
  • 60. Historique • 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 Les éléments de la boucle
  • 61. Historique • Coût d’installation relativement faible • 2 conducteurs suffisent avec une alimentation continue • 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. Avantages de la boucle de courant
  • 62. Historique Après l’apparition de la communication numérique, cette technique a été rapidement remplacée par les bus de terrain. Cela permet plusieurs avantages: Réduction des coûtsinitiaux : 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 Avantages de la boucle de courant