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INSTRUMENTATION AUTOMATISME CENTRALISÉ - DCS

MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SI110 Révision 0

Formation Exploitation Instrumentation Automatisme Centralisé - DCS

INSTRUMENTATION AUTOMATISME CENTRALISÉ - DCS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................7 2. INTRODUCTION .............................................................................................................8 2.1. HISTORIQUE DU CONTRÔLE DES PROCÉDÉS....................................................8 2.2. DÉBUTS DES TABLEAUX DE COMMANDE LOCALE ............................................8 3. ÉVOLUTION DU CONTRÔLE DE TRAITEMENT DE L’USINE.....................................10 3.1. DES SALLES DE CONTRÔLE PLUS SOPHISTIQUÉES .......................................10 3.2. COMMANDE CENTRALE DE L’ORDINATEUR CENTRAL....................................10 3.2.1. Commande numérique directe (CND) .............................................................10 3.2.2. Commande analogique commandée numériquement (DDAC) .......................11 3.3. CONTRÔLE RÉPARTI DES PROCESS .................................................................13 3.4. SYSTÈMES DE PROCESSEURS RÉPARTIS .......................................................15 3.5. AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS (API / PLC) ET CONTRÔLE COMMANDE DE PROCÉDÉ .........................................................................................16 3.6. COMPARAISON DCS ET PLC :FACILITÉ DE CONFIGURATION.........................18 3.6.1. Configuration typique d’un système de PLC....................................................19 3.6.2. Configuration typique d’un système DCS ........................................................19 3.7. SYSTÈME SCADA..................................................................................................20 3.8. RÔLE ACCRU DES ORDINATEURS PERSONNELS (PC)....................................21 4. QU’EST-CE QU’UN DCS ?............................................................................................22 5. QUELLE DIFFERENCE AVEC UN AUTOMATE PLC ? ................................................23 6. LA PARTIE HARDWARE : STRUCTURE D’UN DCS....................................................24 6.1. L’EMBASE ..............................................................................................................24 6.2. L’ALIMENTATION ...................................................................................................25 6.3. LES CARTES D’ENTRÉES/SORTIES ....................................................................26 6.3.1. La carte d’entrée logique .................................................................................26 6.3.2. La carte de sortie logique ................................................................................26 6.3.3. La carte d’entrée analogique ...........................................................................27 6.3.4. La carte de sortie analogique ..........................................................................27 6.3.5. Le Microprocesseur .........................................................................................28 6.3.6. La carte de communication .............................................................................29 6.4. STRUCTURE MATÉRIELLE DES CONTRÔLEURS ..............................................30 6.4.1. Contrôleur classique de procédé.....................................................................30 6.4.2. Architectures du contrôleur..............................................................................31 6.5. STRUCTURE LOGICIELLE DES CONTRÔLEURS................................................34 6.5.1. Programmation................................................................................................34 6.5.2. Organisation du temps d’exécution pour les actions de contrôle.....................35 6.5.3. Progrès dans la structure logicielle..................................................................36 6.5.4. Programmation contre configuration................................................................36 6.5.5. Blocs fonction ..................................................................................................37 6.5.6. Connection des blocs ......................................................................................38 6.6. REDONDANCE DU CONTRÔLEUR.......................................................................41 6.6.1. Le mythe de l’intégrité boucle simple ..............................................................41 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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6.6.2. Ordinateur principal redondant ........................................................................42 6.6.3. Redondance à boucle partagée basée sur microprocesseur ..........................43 6.6.4. Redondance basée sur microprocesseur pour racks monocartes de contrôleur ..................................................................................................................................44 6.6.5. Coupures d’alimentation..................................................................................46 6.7. BRANCHEMENT AU CONTRÔLEUR.....................................................................47 6.7.1. Sous réseau d’entrées/sorties vers les dispositifs de terrain ...........................47 6.7.2. Conversion numérique d’entrées et sorties .....................................................48 6.7.3. Connections d’entrées/sorties distantes ..........................................................51 6.7.4. Influence des bus de terrain ............................................................................53 6.7.5. Sous réseau d’entrées/sorties – interface homme ..........................................54 7. LE DCS ET SON RESEAU............................................................................................57 7.1. LE BUS DE TERRAIN.............................................................................................58 7.1.1. Architecture .....................................................................................................58 7.1.2. Les modules d’entrées sorties déportées ........................................................58 7.1.3. Le coupleur Profibus PA / DP..........................................................................59 7.2. LE DCS ET SA PARTIE SOFTWARE.....................................................................60 7.2.1. Introduction......................................................................................................60 7.2.2. Les serveurs....................................................................................................60 7.2.3. Les operating system dit ‘OS client’ ................................................................61 7.2.4. Les Engineering System dit ‘ES’ .....................................................................62 7.2.5. Exemples de vues synoptiques .......................................................................64 7.3. ARCHITECTURE TYPIQUE D’UN DCS .................................................................68 7.3.1. Exemple d’architecture du DCS Freelance 2000 du fournisseur ABB.............68 7.3.2. Exemple d’architecture du DCS Delta V de Emerson .....................................69 7.3.3. Conclusion.......................................................................................................70 8. LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS......................................................................71 8.1. LES TECHNIQUES DE TRANSMISSION D’INFORMATION .................................73 8.1.1. Les techniques de connexion ..........................................................................73 8.1.1.1. Liaison monofilaire .....................................................................................74 8.1.1.2. Liaison bifilaire avec masse .......................................................................74 8.1.1.3. Liaison bifilaire différentielle .......................................................................74 8.1.2. La transmission en bande de base..................................................................75 8.1.2.1. Les polarités...............................................................................................76 8.1.2.2. Le retour à zéro..........................................................................................76 8.1.2.3. Les codages asynchrone ...........................................................................77 8.1.2.4. Les codages synchrones............................................................................77 8.1.3. La transmission en bande décalée ..................................................................80 8.1.3.1. Les modulations d'amplitude. .....................................................................81 8.1.3.2. Les différentes modulations d'amplitude ....................................................83 8.1.3.3. Les modulations angulaires........................................................................87 8.1.3.4. Rappels sur les modulations analogiques ..................................................90 8.1.4. Le codage des informations ............................................................................91 8.1.4.1. Le codage de la parité................................................................................91 8.1.4.2. Les codages redondants ............................................................................92 8.1.4.3. Les codes CRC ..........................................................................................95 8.1.5. Correction d'erreurs de transmission...............................................................96 8.1.6. Le Multiplexage ...............................................................................................97 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.1.6.1. Le multiplexage fréquentiel ........................................................................97 8.1.6.2. Le multiplexage temporel ...........................................................................99 8.1.7. Le vocabulaire des transmissions .................................................................100 8.2. LES PREMIERS RESEAUX INFORMATIQUES ...................................................102 8.2.1. La norme RS232 ...........................................................................................102 8.2.1.1. Présentation. ............................................................................................103 8.2.1.2. Contrôle de flux ........................................................................................103 8.2.2. Le bus IEEE 488 ...........................................................................................108 8.2.2.1. Études des signaux de contrôle des machines ........................................109 8.2.2.2. Étude du HAND-SHAKE (contrôle du flux)...............................................110 8.3. L’ORGANISATION DES RESEAUX......................................................................112 8.3.1. La norme OSI ................................................................................................113 8.3.1.1. Les 7 couches de la norme OSI ...............................................................113 8.3.1.2. L'encapsulation des données ...................................................................116 8.3.2. Trames et paquets ........................................................................................117 8.3.2.1. Principe de la trame élémentaire..............................................................117 8.3.2.2. Principe du paquet ...................................................................................117 8.4. LA COUCHE PHYSIQUE......................................................................................118 8.4.1. La topologie d'un réseau ...............................................................................118 8.5. LE MEDIUM ..........................................................................................................122 8.5.1. Remarque sur les vitesses de propagation ...................................................122 8.5.2. Les paires Torsadées ....................................................................................123 8.5.3. Les fibres optiques ........................................................................................126 8.5.4. Les éléments de la couche physique ............................................................128 8.6. ETHERNET ...........................................................................................................130 8.6.1. Trame fondamentale .....................................................................................130 8.6.1.1. Le préambule ...........................................................................................131 8.6.1.2. Les adresses de destination et de source ................................................131 8.6.1.3. Le type .....................................................................................................131 8.6.1.4. Le champ de donnée ...............................................................................131 8.6.1.5. Tables des Ethertypes. ............................................................................132 8.6.2. La Couche Physique d'Ethernet ....................................................................133 8.6.3. La Couche de Liaison d'Ethernet...................................................................135 8.7. LE PROFIBUS ......................................................................................................137 8.7.1. Réseaux locaux (LAN) dans l’automatisation production et process.............137 8.7.1.1. Systèmes de communication ...................................................................138 8.7.1.2. Systèmes décentralisés ...........................................................................138 8.7.1.3. Industrial Ethernet/Fast Ethernet..............................................................139 8.7.1.4. AS–Interface ............................................................................................139 8.7.1.5. PROFIBUS...............................................................................................139 8.7.1.6. PROFIBUS–PA ........................................................................................139 8.7.2. Les différents profils du profibus....................................................................140 8.7.2.1. Les profils de communication...................................................................141 8.7.2.2. Les supports physiques ...........................................................................141 8.7.2.3. Profils applicatifs ......................................................................................142 8.7.3. Les fondements de profibus ..........................................................................142 8.7.3.1. Architecture de communication ................................................................143 8.7.3.2. Transmission RS485 ................................................................................144 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.7.3.3. Transmission CEI 1158-2.........................................................................147 8.7.3.4. Transmission optique ...............................................................................152 8.7.3.5. Méthode d’accès sur profibus ..................................................................152 8.7.4. Le profil de communication DP......................................................................155 8.7.4.1. Fonctions DP de base ..............................................................................155 8.7.4.2. Caractéristiques fondamentales...............................................................156 8.7.4.3. Configuration du système et types d’équipements...................................157 8.7.4.4. Comportement du système ......................................................................159 8.7.4.5. Transmission cyclique de données entre DPM1 et esclaves ...................160 8.7.4.6. Mode synchro et freeze............................................................................160 8.7.4.7. Fonctions DP étendues ............................................................................161 8.7.4.8. Adressage des données par numéro d’emplacement et d’index..............161 8.7.4.9. Transmission acycliques de données entre maître DPM1 et esclaves ....162 8.7.4.10. Transmission acycliques de données entre maître DPM2 et esclaves ..163 8.7.5. Le profil de communication FMS ...................................................................164 8.7.5.1. Services FMS...........................................................................................166 8.7.5.2. Interface LLI .............................................................................................167 8.7.5.3. Gestion du réseau....................................................................................168 8.7.6. Les profils applicatifs .....................................................................................168 8.7.6.1. Automatisation des procédés (PA)...........................................................168 8.7.6.2. La communication sur PA ........................................................................170 8.7.6.3. Profil de sécurité ......................................................................................174 8.7.6.4. Profil d’équipements.................................................................................175 8.7.7. La configuration et l’identification des équipements ......................................176 8.7.7.1. Fichier GSD..............................................................................................176 8.7.7.2. Identification de l’équipement...................................................................178 8.7.7.3. Les fichiers EDD ......................................................................................178 8.7.8. Les évolutions de PROFIBUS .......................................................................179 8.7.8.1. PROFIBUS et Ethernet ............................................................................179 8.7.8.2. La commande d’axes ...............................................................................180 8.7.9. L’avenir du profibus .......................................................................................182 8.8. LE PROFINET.......................................................................................................183 8.8.1. Appareils de terrain sur PROFInet IO............................................................183 8.8.2. Communication .............................................................................................184 8.8.3. Installation du réseau ....................................................................................184 8.8.4. Intégration au paysage informatique .............................................................184 8.8.5. Intégration au bus de terrain..........................................................................184 8.9. PRERIPHERIE DECENTRALISE EN PROFINET.................................................186 8.9.1. Équipements et fonctionnalité .......................................................................186 8.9.2. Modèle d’équipement ....................................................................................187 8.9.3. Périphérique d’E/S ........................................................................................188 8.9.4. Configuration et échange ..............................................................................189 8.9.5. Diagnostiques................................................................................................189 8.9.6. Automatismes répartis...................................................................................190 8.9.6.1. Composants PROFInet ............................................................................190 8.9.6.2. Modèle d’ingénierie PROFInet .................................................................191 8.9.6.3. Fichier PCD..............................................................................................193 8.9.6.4. Vue de travail ...........................................................................................194 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.9.7. Communication PROFInet.............................................................................195 8.9.7.1. TCP/UDP et IP .........................................................................................196 8.9.7.2. Temps réel ...............................................................................................197 8.9.7.3. Communication sur PROFInet IO.............................................................199 8.9.7.4. Communication entre composants PROFInet ..........................................199 8.9.8. Installation du réseau ....................................................................................201 8.9.8.1. Topologies................................................................................................202 8.9.8.2. Câblage PROFInet...................................................................................204 8.9.8.3. Connectiques ...........................................................................................205 8.9.8.4. Commutateurs..........................................................................................206 8.9.9. Intégration des bus de terrain........................................................................206 8.9.9.1. Stratégie de migration ..............................................................................207 8.9.9.2. Intégration d’appareils de terrain par proxy ..............................................208 8.9.9.3. Intégration d’applications de terrain .........................................................208 8.9.9.4. Intégration d’autres bus de terrain............................................................209 8.9.9.5. Exemple de machine modulaire ...............................................................209 8.10. LES PROTOCOLES DE TRANSMISSION DE DONNEES.................................211 8.10.1. TCP/IP.........................................................................................................211 8.10.2. Le protocole IP ............................................................................................212 8.10.3. Les options de la trame IP...........................................................................216 8.10.4. IP et Ethernet ..............................................................................................217 8.10.5. La commande PING ....................................................................................219 8.10.6. Fonctionnement de IP .................................................................................220 8.10.6.1. Identification des adresses locales.........................................................220 8.10.7. Le routage des paquets IP ..........................................................................223 8.10.7.1. Le protocole RIP ....................................................................................223 8.10.7.2. Diffusion et constitution des tables RIP ..................................................224 8.10.7.3. La trame RIP ..........................................................................................228 8.10.8. Le protocole MODBUS ................................................................................229 8.10.8.1. Principe des échanges MODBUS ..........................................................229 8.10.8.2. Adressage ..............................................................................................230 8.10.8.3. Échange maître vers 1 esclave ..............................................................230 8.10.8.4. Échange Maître vers tous les esclaves ..................................................230 8.10.8.5. Trame d’échange question/réponse.......................................................231 8.10.8.6. Format général d’une trame ...................................................................231 8.10.8.7. Support de transmission.........................................................................233 8.10.9. Le protocole HART ......................................................................................234 8.10.9.1. Qu’est-ce que le HART ? .......................................................................234 8.10.9.2. Comment fonctionne le HART ?.............................................................237 8.10.9.3. Les specifications du HART ...................................................................240 8.10.9.4. Qu’y a t-il dans les données HART? ......................................................241 9. SOMMAIRE DES FIGURES ........................................................................................245 10. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................249

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1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de connaître l’instrumentation qui se situe en zone à risques et ses différents marquages sur un site industriel à dominance pétrolière. En fin de cours, dans le domaine des normes et symboles en instrumentation, le participant devra être capable de : •


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2. INTRODUCTION Pour mieux comprendre le concept de contrôle-commande réparti, nous devons nous intéresser à l’historique des salles de commande et à la commande par ordinateur. Nous étudierons également quelques distinctions arbitraires entre DCS, API (PLC) et PC. Ce ne seront là que des comparaisons incomplètes, bien entendu, du fait des nombreuses créations et innovations des fournisseurs, mais dans un souci de compréhension, nous en passerons par des généralisations.

2.1. HISTORIQUE DU CONTRÔLE DES PROCÉDÉS Dans les premières usines de traitement, le contrôle-commande des procédés requérait le plus souvent plusieurs opérateurs. Ceux-ci devaient alors surveiller en permanence chaque unité de traitement, observer de volumineux instruments de mesure, installés sur site et manipuler des vannes. L’ensemble de l’exploitation de l’usine nécessitait donc couramment des opérateurs venant « visiter » l’usine, tablette à la main pour enregistrer nombre de paramètres essentiels. À la fin de leur premier passage, des calculs appropriés devaient être réalisés, en vue de la visite suivante, pour ajuster les vannes, registres, entraînements et autres éléments finaux. Cela impliquait que chaque opérateur développe sa propre sensibilité par rapport au procédé, art s’il en est. L’un des défis d’une telle gestion d’usine consistait à coordonner les nombreux opérateurs afin qu’ils puissent gérer le flux de produit d’un bout à l’autre de l’usine de façon cohérente. Du fait de la subjectivité de ce « ressenti » de l’exploitation, les résultats de l’usine pouvaient varier selon les différents opérateurs et leurs différents états émotionnels. Les délais et autres inefficacités en résultant étaient ainsi les facteurs limitant la productivité de l’usine.

2.2. DÉBUTS DES TABLEAUX DE COMMANDE LOCALE Avec les progrès technologiques, il est devenu possible de transmettre des signaux pneumatiques. La salle de contrôle a ainsi fait son apparition dans les usines les plus importantes et les volumineux appareils de mesure ont donc été placés en un seul lieu, avec quelques dispositifs de contrôle commande qui transmettaient les signaux en retour aux vannes les plus proches sur le terrain. Différents opérateurs pouvaient alors enregistrer leurs relevés dans un journal et réaliser quelques réglages sur les procédés d’exploitation sans devoir se rendre sur les sites aussi fréquemment qu’auparavant. Naturellement, il restait nécessaire de visiter l’usine pour régler les vannes, registres et autres éléments finaux les plus distants.


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Un concept venait de naître : il s’agissait désormais d’amener l’usine aux opérateurs plutôt que le contraire. Du fait de l’apport de la plupart des informations nécessaires aux opérateurs, les délais de prise de décisions en matière de résultats de procédé, en ont été fortement réduits. Il devenait ainsi plus aisé et plus rapide de repérer les interactions entre différentes portions du procédé. Tout ceci était réalisé par contrôle-commande et supervision, grâce à un câblage direct et des signaux analogiques. L’avantage était qu’il ne fallait pas trop de câblage (ou de canalisations, pour le cas d’installations pneumatiques). Mais l’inconvénient était qu’il n’existait qu’une faible marge de contrôle commande, de supervision et d’alarme.

Figure 1: Évolution : Toutes ces opérations étaient réparties


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3. ÉVOLUTION DU CONTRÔLE DE TRAITEMENT DE L’USINE 3.1. DES SALLES DE CONTRÔLE PLUS SOPHISTIQUÉES Après la seconde guerre mondiale, les commandes électriques sont devenues plus robustes et pratiques pour un usage en environnements industriels. De plus nombreuses mesures devenaient alors possibles du fait de la baisse du coût des capteurs. En outre, il commençait à exister de nouveaux types de capteurs pour mesurer des paramètres impossibles à mesurer jusqu’alors. Par ailleurs, il devenait possible de mesurer un plus grand nombre de paramètres en ligne, plutôt que de prélever des échantillons de laboratoire. La taille des contrôleurs était plus petite, de sorte qu’un plus grand nombre d’entre eux pouvait tenir sur un même tableau et une surface réduite. Tout cela a conduit à une salle de commande plus complexe, d’où le besoin d’un câblage plus important vers ce lieu. Cela présentait des problèmes de gestion des informations pour les opérateurs, outre les défis en termes de logistique de gestion du signal pour l’ingénieur d’instrumentation.

3.2. COMMANDE CENTRALE DE L’ORDINATEUR CENTRAL À mesure que les progrès technologiques ont fait baisser les prix des ordinateurs, ceux-ci sont devenus plus courants, sur les installations plus grandes et plus complexes. Cela a ainsi permis le développement accru des salles de commande centralisée. Si ces ordinateurs pouvaient désormais traiter toutes ces nouvelles données, ils n’en restaient pas moins conçus d’abord pour les entreprises. Au cours des années 60 - 70, deux types d’ordinateurs pour la commande des procédés sont apparus : Commande numérique directe (CND) Commande analogique commandée numériquement (DDAC)

3.2.1. Commande numérique directe (CND) Figure 2: Ordinateur central pour commande numérique directe (DDC)


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Avantages : Contrôle commande sophistiqué Contrôle commande souple Acquisition de données et alarme Inconvénients : Fiabilité de l’ordinateur Ordinateurs ou contrôleurs redondants Câblage complexe et étendu L’interface homme machine nécessitait des opérateurs de haut niveau Cherté

3.2.2. Commande analogique commandée numériquement (DDAC) La DDAC est le plus souvent appelée Contrôle commande de surveillance

Figure 3: Commande analogique commandée numériquement (DDAC) Avantages : Fiabilité élevée Interface homme – machine appropriée Acquisition de données et alarmes Contrôle commande sophistiqué Redondance complète Inconvénients : Câblage et installation complexes Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Difficulté à mener des modifications de stratégie Cherté Cette salle centrale de contrôle-commande offrait ainsi une image bien plus précise de l’exploitation globale de l’usine. En revanche, une fois toutes les parties distantes de l’usine reliées à cette salle unique, les éléments suivants devenaient très coûteux du fait des : Parcours des nombreux câblages de contrôle-commande, chemins de câbles et dispositifs de manutention Conception de l’ingénierie Main d’œuvre relevant de l’installation des lignes et raccordements Problèmes inhérents à une modification de la stratégie de contrôle-commande Un problème grave apparaissait également : une panne sur l’ordinateur pouvait alors provoquer l’extinction de l’usine entière ! Pour résoudre cela, des contrôleurs de secours étaient souvent introduits dans le système informatique. Afin d’assurer une meilleure fiabilité du système, il fallait fréquemment dupliquer les systèmes de contrôle (soit 2 jeux de contrôle-commande pour chaque élément). Cette redondance impliquait ainsi souvent l’emploi d’instruments analogiques pour permettre à l’usine de continuer de fonctionner. Les opérateurs devaient ainsi être en mesure de faire fonctionner les ordinateurs et mais aussi de connaître le contrôle-commande de procédé. Il était par conséquent difficile de trouver du personnel qualifié, dont le salaire était donc particulièrement élevé. L’emploi d’un ordinateur de contrôle pour la gestion des points de consigne et autres paramètres sur les contrôleurs analogiques permettait d’éviter la perte de signal au niveau des éléments terminaux à l’arrêt de l’ordinateur. Cela n’économisait pas le double système de contrôle commande, mais au moins les opérateurs pouvaient-ils éviter d’apprendre à gérer le procédé par l’ordinateur. Si l’ordinateur de contrôle était bien implémenté, les opérateurs pouvaient aller jusqu’à en oublier la présence. Ce contrôle commande par ordinateur centralisé présentait avantages et inconvénients : Avantages : Vision centralisée de l’exploitation mieux organisée, Stratégies de contrôle plus flexibles, Alarmes bien plus souples et efficacies Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Possibilité accrue de disposer d’un historique et d’un journal des évènements significatifs. Inconvénients : Beaucoup de câblage Risque considerable sur l’usine Extensibilité limitée. En effet, il était difficile d’étendre les solutions sans reprogrammer l’ordinateur au complet. Corriger ces inconvénients coûtait cher. Le coût élevé du contrôle-commande de l’ordinateur central impliquait que l’on n’emploie les ordinateurs que pour des exploitations suffisamment étendues ou des procédés suffisamment critiques pour justifier l’effort nécessaire pour une telle automatisation. Un contrôle-commande de type informatique est désormais devenu plus incontournable. En effet, avec la maturité, chaque industrie doit optimiser ses méthodes de traitement. Le coût induit par les matières premières, déchets, pollution et la conformité aux règlementations nationales est devenu un élément toujours plus important dans l’efficacité de l’exploitation industrielle.

3.3. CONTRÔLE RÉPARTI DES PROCESS Le démarrage du Contrôle réparti est devenu possible du fait des capacités des technologies vidéo de juxtaposition permettant d’afficher des données, voire même pour l’opérateur d’initier des actions de contrôle-commande « par vidéo ». La salle de contrôle central rassemblait les informations sans que tous les traitements ne soient situés en un seul lieu, ce qui répartissait les risques. Le coût et la complexité du câblage pouvaient en outre être amoindris par l’emploi d’un signal numérique passant par un simple câble servant de réseau de communication (autoroute de l’information), reliant ainsi les différentes parties de l’usine. Le secret du parcours de tous ces signaux est en fait une vieille technologie : le télégraphe. L’emploi du code Morse était effectivement la communication numérique de valeurs analogiques (information de type voix, comme pour la radio). L'architecture répartie de procédés permet une répartition fonctionnelle des tâches entre différents processeurs, ce qui réduit les risques d’une panne globale. À mesure que des méthodes de réduction des boucles de masse ont fait leur apparition, la répartition physique est également devenue possible. Ces éléments critiques ont dès lors commencé à ouvrir des possibilités pour fixer les informations centrales sur le contrôle local pour les sites où cela était capital. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 4: Passage de l’ordinateur central à ordinateur réparti Cette vision de l’exploitation de l’usine depuis la salle de contrôle central offre à l’opérateur une fenêtre unique sur l’ensemble du procédé. Et les opérateurs n’ont plus à faire le tour de l’usine. C’est du bout des doigts qu’ils font désormais la visite, en visualisant chaque contrôleur ou groupe de contrôleurs sur leur écran pour superviser le déroulement de leur traitement. Si nécessaire, ils peuvent aisément faire le point et commander des modifications depuis leur clavier, comme ils peuvent gérer toutes les alarmes en cas d’alerte sur un procédé. Par ailleurs, si nécessaire, une usine peut disposer de plusieurs postes opérateur sur ce réseau. Un poste d’opérateur local peut être implanté sur une partie spécifique de l’usine, directement sur la même autoroute d’information ou directement câblé sur un ensemble de boucles de contrôle. Côté avantages, le contrôle-commande réparti impliquait de moindres parcours de câbles, l’absence de câblage entre contrôleurs et salle de commande, un moindre risque de pannes et un système plus évolutif, pour le cas où il faudrait étendre le système, sans trop de coûts de remplacement. Côté inconvénients, ces systèmes de contrôle réparti présentaient toujours des capteurs et éléments finaux reliés à des armoires de contrôle-commande et les branchements entre composants provenant de différents fabriquants pouvaient présenter un certain nombre de difficultés. C’est à cela que répondent les E/S numériques ou bus de terrain. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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3.4. SYSTÈMES DE PROCESSEURS RÉPARTIS Les assemblages électroniques à distance d’un système de contrôle-commande réparti de processeur sont constitués d’un certain nombre de « micro-ordinateurs » spécialisés, appelés microprocesseurs. Il en va de même pour les postes opérateurs et moniteurs vidéo qui fournissent l’affichage et jusqu’aux imprimantes et lecteurs de disquettes contiennent des microprocesseurs spécialisés. Connectés à une fonction et en conjonction les uns avec les autres, cette combinaison d’ordinateurs établit un système réparti de microprocesseurs. Certains puristes seront mécontents de cet emploi un peu vague des définitions. Cela dit, ces puristes ne sont jamais d’accords entre eux ! Voici donc quelques définitions communément admises : Microprocesseur, μP - circuit électronique intégré, typiquement dans un boîtier monopuce, capable de recevoir et exécuter des instructions codées, qui assure les fonctions de CPU et d’unité arithmétique logique (ALU), à l’exclusion de mémoire et systèmes E/S. Microcontrôleur, μC -Microprocesseur à temporisateur, compteur, RAM et ROM incluses. Micro-ordinateur – Basé sur un microprocesseur ou un ordinateur de petites dimensions physiques, qui tient en principe sur une petite carte de circuit imprimé et travaille à partir d’une chaîne de données de 4, 8 ou 16 bits (et, en effet, 32 et 64 bits) mais qui présente désormais la puissance que l’on trouvait auparavant dans les mini-ordinateurs ou PC. On parle aussi d’ordinateur personnel (PC). Sur le plan matériel, le système de processeur réparti est un gestionnaire d’informations, un dispositif de communications qui fonctionne sur la base de technologies très différentes de celles des applications auxquelles on le dédie. Dans ce contexte système, il vise à contrôler les procédés industriels. Si les composants assemblés de systèmes continuent d’assurer des tâches habituelles, c’est avec des méthodes bien différentes aujourd’hui. Si l’on comprend bien les fonctions des améliorations des microprocesseurs, on peut mieux en apprécier les possibilités. De nouvelles stratégies de contrôle-commande peuvent être pensées et de nouveaux capteurs et actionneurs pourront être développés pour tirer le meilleur parti de la puissance de gestion des informations du microprocesseur. Comme vu précédemment, ces progrès matériels sont inhérents à la moindre taille, au prix réduit et à la fiabilité accrue de la technologie de ces composants. L’architecture du contrôleur est passée d’un ordinateur central unique qui assurait toutes les tâches de contrôle et offrait à la fois l’affichage, le traitement et la communication, avec les entrées et les sorties à une architecture de processeurs répartis sur le système.


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Ces processeurs peuvent être associés pour assurer les fonctions spécifiques de contrôlecommande de proccédé, communication entre contrôleurs et affichage et gestion des informations du système de contrôle. L’étape intermédiaire entre ces deux étapes a été l’évolution de ces micro-ordinateurs spécifiques vers des contrôleurs propriétaires et postes opérateurs. Le matériel (hardware) était propriétaire parce que dans les années 1960, 1970 et 1980, les ordinateurs normaux ne présentaient pas la vitesse de traitement et la capacité de mémoire pour fonctionner en temps réel, c’est à dire répondre immédiatement aux actions du procédé et informer l’opérateur et lui indiquer ce qu’il doit faire ensuite. Systèmes propriétaires : chaque fabricant ayant dû trouver un moyen d’obtenir les données aussi vite que nécessaire, chacun a dû modifier sa technologie de départ, d’où les différents systèmes propriétaires. Ces derniers étaient ainsi une opportunité de fournir aux clients, le plus vite et le moins cher possible, un système numérique fonctionnel, en avance sur les standards.

3.5. AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS (API / PLC) ET CONTRÔLE COMMANDE DE PROCÉDÉ Les automates programmables industriels (API / PLC) ont été conçus pour les fonctions d’automatisation dans les usines, lorsque l’exploitation nécessitait de nombreuses opérations rapides, répétées, comme sur la plupart des chaînes. Bien que ce ne soit pas typique des usines de traitement traditionnelles, certaines opérations peuvent également exploiter les capacités extrêmement puissantes d’un PLC. Les PLC actuels peuvent être bien plus efficaces que jamais pour les opérations de séquençage, de régulation et de verrouillage. Le contrôle commande en temps réel pour le verrouillage de moteurs et équipements relatifs est une opération très pratique au sein des PLC employés dans le monde du contrôle-commande des procédés. Un bon exemple en est notamment le contrôle des process discontinus à l’aide de fonctions de gestion de procédé, configurées par ordinateur personnel (PC) ou station de travail opérateur de type PC. Les PLC les plus récents ont été employés pour l’informatique répartie, par une opération impliquant plusieurs PLC sur les réseaux. Ces réseaux sont parfois, mais pas toujours, P2P : ainsi, un PLC peut parler avec un autre de façon directe, sans passer par un quelconque dispositif intermédiaire. Le contrôle-commande décentralisé est désormais disponible sur la plupart des systèmes PLC actuels, par des entrées-sorties distantes intelligentes. Parmi les applications typiques se trouvent les arrêts/démarrages des équipements et les verrouillages de sécurité, le filtrage, groupage simple, emballage, embouteillage et Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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manipulation de matériel. Les PLC sont le plus souvent une alternative bon marché aux DCS, dont les stratégies sophistiquées de boucles de traitement ne sont pas nécessaires. Parmi les avantages les plus puissants des PLC dans le contrôle-commande de procédé : Excellentes capacités de traitement logique ; personnel opérationnel et de maintenance aux États-Unis et langage ladder facile à comprendre ! Grande rapidité, possibilité de détecter un dysfonctionnement en quelques milisecondes Très bon marché, ce qui permet de les adapter aux fonctions du produit Tolérance en milieu hostile ; ne nécessitent pas de salle blanche comme nombre d’autres ordinateurs et DCS traditionnels (atmosphère cependant non corrosive ) Grande fiabilité, produit qui a démontré sa facilité de maintenance Niveau élevé de flexibilité et évolutivité En principe, très compacts et ne nécessitant pas beaucoup d’espace. Parmi les principaux inconvénients des PLC dans le contrôle-commande : Non-déterministes : incapacité à prédire les temps de réponse, catastrophique pour le contrôle commande des PID ! (Les PLC ne peuvent être déterministes que si une interruption temps réel est disponible [et si employés sur PID]) Limitation des capacités de boucle de contrôle continu, notamment pour les stratégies de contrôle de procédé, telles que la mise en cascade de plusieurs contrôleurs et les techniques d’optimisation du contrôle couramment disponibles sur la plupart des DCS Nécessité pour l’ordinateur hôte ou le PC d’assurer l’interface avec les contrôles de process et autres opérations plus complexes Le logiciel de contrôle de batch est typiquement indisponible chez les fournisseurs de contrôle commande de procédé sur les systèmes hybrides à DCS et PLC Les interfaces utilisateurs disponibles n’ont pas toujours la capacité de celles accompagnant le contrôle-commande réparti ; l’emploi d’interfaces homme-machine (IHM) d’autres fabricants limite les capacités des PLC (une jolie présentation ne suffit pas) Nécessité de configurer les PLC, outre la configuration des ordinateurs et des DCS sur les systèmes qui conjuguent ces 2 éléments


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Les fournisseurs et distributeurs de PLC manquent d’expertise sur les procédés, ce qui induit les services et coûts afférents d’un intégrateur indépendant. Tout le monde demande régulièrement un comparatif entre DCS, PLC, ordinateurs centraux, PC et PC avec PLC, mais les produits sont en constante mutation. Chaque fournisseur propose nombre de caractéristiques diverses pour répondre à autant de situations spécifiques. Ces comparatifs sont autant de généralisations ! En réalité, la plupart des PLC se trouvent dans le monde manufacturier et la partie conditionnement des usines de traitement. Le contrôle-commande sophistiqué (contrôle multi-boucle) ne peut typiquement pas employer de PLC pour une foule de raisons différentes. Les PC, DCS et PLC pâtissent tous des compromis entre coût et performance, même si ce ne sont pas les mêmes. On peut aisément trouver des arguments en faveur ou contre tous les éléments de comparaison qui apparaissent ici ou dans presque tous les articles de magazines disponibles. Comme pour tout, il n’existe pas de solution idéale pour prendre la bonne décision... dans le cas contraire, vous ne seriez pas là à tenter de savoir comment acheter le produit idoine pour votre usine (plus besoin d’ingénieurs, un bon de commande suffirait à tout acheter). Pour trouver le bon système, il faut tenir compte de tous les paramètres. Comme pour choisir entre deux marques, la décision entre PLC, DCS ou ordinateurs généralistes (ou PC), les fonctions nécessaires sont le paramètre clé. L’acheteur doit toujours avoir en tête la compréhension du procédé. (En effet, la plupart connaissent mais ne comprennent pas le procédé. La compréhension peut venir de la collecte d’informations qu’un nouveau système pourrait offrir.)

3.6. COMPARAISON DCS ET PLC :FACILITÉ DE CONFIGURATION Les systèmes propriétaires de DCS étaient initialement configurés comme des blocs fonctions représentant différents instruments et contrôleurs provenant du même fournisseur. En général, ces blocs offraient les forces et faiblesses de ce fournisseur, selon son expertise des applications sur les marchés qui lui étaient familiers. Il n’existait pas de norme dans ce domaine, mais la plupart de ces systèmes étaient plutôt simples à configurer. En effet, en principe, c'était aussi le fournisseur qui concevait la station de travail pour garantir l’adéquation entre l’Interface opérateur et ces « instruments ». Outre cette simplicité, l’utilisateur était certain de disposer d’une exploitation en temps réel et de ne pas risquer de « polluer » par inadvertance son logiciel. Par ailleurs, les PLC venaient en principe remplacer des relais et étaient programmés soit par logique des relais soit, si un contrôle commande plus complexe était nécessaire, dans l’un des langages évolués tels que Pascal, Basic ou encore un mélange des deux. Une interface opérateur bien plus simple existait alors, d’un niveau de communication très minime et d’un besoin très limité de communication temps réel entre dispositifs.


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3.6.1. Configuration typique d’un système de PLC Chaque PLC doit être configuré à part et il faut être très organisé pour éviter de dupliquer des repères de procédés, etc. On réserve en principe les stratégies complexes aux PLC individuels. Le PC doit être configuré pour communiquer avec chaque PLC pour trouver les variables spécifiques, puis configuré pour les vues, puis les historiques, puis les tendances, etc. Les systèmes PLC disposent en général de multiples bases de données pour configuration et appariement. (Bien qu’employé pour l’acquisition et le contrôle de données, ce type de système n’est pas réellement un système SCADA. SCADA est un terme employé depuis plus de 40 ans pour désigner les systèmes qui font commuter un équipement au-delà du site même de l’usine, à l’aide d’un téléphone traditionnel, de micro-ondes ou encore de connections satellite et qui nécessitent une technique unique de communications pour assurer l’intégrité dans des conditions indépendantes du contrôle de l’utilisateur.)

3.6.2. Configuration typique d’un système DCS La configuration se fait généralement à partir d’une station de travail conçue pour un système particulier. Tous les contrôleurs forment une sorte de base de données permettant la communication P2P dans des stratégies complexes. La base de données peut tenir sur une simple station de travail, avec copie sur les contrôleurs. Il faut parfois procéder à des téléchargements pour la sauvegarde des contrôleurs redondants. Vues, historiques et tendances devront également être configurés. Certains pourront présenter une base de données commune, selon le fournisseur (et l’âge du système). Les PC, le plus souvent compagnons, doivent configurer des liens uniques pour le contrôle commande et les vues, etc. sur une base de données indépendante, comme pour les systèmes PLC. Les systèmes DLC présentent en général une base de données unique et ne doivent pas être régulièrement synchronisés entre eux.


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3.7. SYSTÈME SCADA Ces dernières années, l’emploi du terme SCADA (système d'acquisition et de contrôle de données) a très souvent été appliqué à des systèmes qui sont en réalité des systèmes d’acquisition de données qui assurent aujourd’hui également le contrôle. Mais ce n’a pas été là la définition de ce terme au cours des 50 dernières années. À grande échelle, les véritables systèmes SCADA ont été employés pour des actions de contrôle-commande et de collecte d’informations à distance de l’usine. Ces systèmes SCADA n’ont en principe pas été employés pour le contrôle de process mais plutôt pour le démarrage et l’arrêt d’unités distantes, comme par exemple dans le cas des transformateurs de puissance distants ou des pompes à eau ou à gaz sur les pipelines.

Figure 5: Système classique SCADA Le plus souvent, la liaison ne se fait pas par câble mais par transmission radio, ligne téléphonique, voire même satellite. Les délais sur ces systèmes SCADA ont imposé de ne pas se fier au contrôle-commande des détails du process lui-même à distance. La partie de contrôle commande n’était censée qu’éteindre ou allumer des unités particulières ou court-circuiter des unités qui auraient subi des dommages, suite par exemple à un orage ou un accident. Les sociétés de distribution d’énergie ont toujours à faire face à des évènements de ce type. Toutes les communications dans de telles transmissions à distance, comme pour un système SCADA doivent tolérer de longs délais entre la demande d’action et l’occurrence de l’action. Autre sujet d’inquiétude, les fréquentes interruptions imprévues d’un signal transmis. Cela interdit en principe tout procédé d’action continue, qui nécessite une exploitation à meilleur temps de réponse. Pendant des décennies, des technologies exclusives ont été mises en œuvre pour contrecarrer ces limitations de contrôle, comme par exemple ces routines extrêmement rigoureuses de « contrôle avant exécution » sur toute transmission de données.


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3.8. RÔLE ACCRU DES ORDINATEURS PERSONNELS (PC) Bon gré mal gré, le milieu des années 90 est devenu l’ère du Microsoft de Bill Gates, qui est toujours plus influent sur l’ensemble de notre technologie. Le volume des produits Microsoft et les volumes des produits compatibles a créé des normes de fait et des ordres de prix imbattables. En quelques courtes années, ceci a filtré dans toutes les gammes de produits de contrôle-commande de process, outre les produits commerciaux et les pratiques professionnelles en découlant. La première partie d’architecture système dans laquelle le PC apparaît comme le dispositif le plus demandé par les utilisateurs est la station de travail. UNIX a été le cheval de bataille de la capacité et de la stabilité de puissance de traitement. Au fil des ans, il est devenu le socle incontesté de la fiabilité d’utilisation pour les opérations d’importance vitale. Cependant, Windows NT ou ses successeurs prendront le pas sur lui. Prix, puissance et caractère universel sont ce qui génère la demande des utilisateurs, qui souhaitent ensuite également de la robustesse pour ces produits. Le secteur des contrôles de procédés n’a quant à lui jamais bénéficié de l’avantage du volume pour la plupart des produits qu’il utilise. Contrairement aux systèmes commerciaux ou, à plus forte raison, aux produits grand public. Il suffit de comparer le nombre d’usines de béton soutenues par les exigences économiques modiales au nombre de postes de TV, micro-ondes, jeux vidéo (liste interminable) en bénéficiant. Les prix chutent à mesure que les volumes croissent. La recherche en nouvelles technologies répondra toujours aux marchés qui peuvent soutenir ces investissements. Les autres utilisateurs n’ont qu’à attendre les résultats puis modifier la technologie pour leur propre usage. Quelques exceptions. En 1970, Honeywell Industrial Division (Fort Washington, Pennsylvanie – États-Unis) a financé le développement du premier microprocesseur 16bits de General Instrument, afin de créer le TDC2000, premier système de contrôle réparti ayant rencontré un succès commercial. Ils ont dû amortir les coûts induits par 8 boucles de contrôle qui pouvaient justifier cette dépense puis adapter le coût de contrôleurs à boucle unique. (8 bits n’y auraient pas suffi). Et cela 10 ans avec les premiers PC 16-bits !


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4. QU’EST-CE QU’UN DCS ? Un Système Numérique de Contrôle Commande est, avant tout, un ordinateur spécialisé.

Figure 6: Exemple de DCS On trouve généralement ses divers éléments sur un bus fond de panier: Une alimentation, Un contrôleur qui est l'ordinateur proprement dit, Une (ou plusieurs) cartes de communication par réseau de terrain, Une (ou plusieurs) cartes de communication par réseau avec des ordinateurs, Une (ou plusieurs) cartes de communication par liaison série RS232 ou RS422 / RS485, Des cartes d’entrées / sorties classiques (entrées analogiques, sorties analogiques, entrées logiques, sorties logiques). DCS veut dire Distributive Control System et plus souvent appelé en Europe sous le nom de SNCC (Système Numérique de Contrôle Commande).


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5. QUELLE DIFFERENCE AVEC UN AUTOMATE PLC ? Aucune, sinon que pour un PLC c'est le traitement les entrées/sorties logiques qui est favorisé alors que pour un DCS c'est le traitement des entrées/sorties analogiques qui est plus spécifiquement à la base de la conception. Un système DCS est donc tout simplement destiné aux réglages de boucles de régulation, aux enregistrements de toutes les mesures dont nous avons besoin, surveillance de tous les paramètres nécessaires au procédé. Il reste une différence pour les cycles de scrutation qui sont généralement plus rapides sur PLC que sur DCS (normal vu que nous scrutons que des entrées sorties logiques sur un PLC !!). En fait la distinction entre DCS et PLC est de plus en plus une question historique (ou d'habitude) et de moins en moins une réalité profonde. D'ailleurs DCS et PLC utilisent les mêmes langages de programmation définis par la norme IEC 61131-3. Quand au superviseur, il est extérieur au DCS (ou au PLC). C'est un programme dans un ordinateur extérieur qui est chargé de réaliser l'interface nécessaire à la conduite par l'homme des processus industriels. Généralement les PLC sont fournis sans superviseur (SCADA) dans la configuration de base alors que les DCS sont fournis avec leur superviseur dédié d'où certaines confusions courantes entre DCS et superviseur.

Figure 7: Principe du système de supervision


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6. LA PARTIE HARDWARE : STRUCTURE D’UN DCS

Figure 8: DCS SIEMENS S7-400

6.1. L’EMBASE L’embase est tout simplement le rack sur lequel vous allez enficher toutes vos cartes d’entrées sorties, la carte d’alimentation, la carte CPU (microprocesseur associé à la mémoire) et enfin votre carte de communication. L’embase est très pratique car l’alimentation de l’automate est répartie sur tous les modules de cette embase en fond de panier, donc une seule alimentation suffie (via la carte d’alimentation). Elle se fixe sur un châssis d’armoire grâce à son rail DIN. Vous avez plusieurs variantes d’embases qui sont définies en fonction du nombre de modules à interconnecter sur celle-ci (exemple : 9 ou 18 modules maximum par embase). Figure 9: Embase Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les embases se fixent dans des armoires que l’on appelle des baies de largeur 19 pouces. Voici un exemple de baie selon la figure ci.

Figure 10: Exemple d’armoire DCS Dans ce type d’armoire, vous aurez le plus souvent à présent deux serveurs installés et raccordés au réseau du DCS. Nous verrons aussi dans ce cours à quoi servent les serveurs.

6.2. L’ALIMENTATION La carte d’alimentation sert à alimenter toutes les cartes de l’automate installées sur l’embase. Ce type de carte est alimenté le plus souvent en 24 VCC par l’intermédiaire d’une alimentation filtrée stabilisée 230VAC/24VCC. Il faut toujours prévoir pour une alimentation d’automate un départ 230VAC pris sur l’ondulé. Figure 11: Divers cartes d’alimentation Vous pouvez remarquer que vous avez une pile sur la carte d’alimentation, surtout ne vous amusez pas à les prendre pour votre télécommande de téléviseur car ces piles sont très utiles au DCS.


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6.3. LES CARTES D’ENTRÉES/SORTIES 6.3.1. La carte d’entrée logique La carte d’entrée logique va nous permettre de surveiller toutes les entrées logiques de types suivants (entre autres): Fin de course de vanne, Bouton poussoir, Retour de marche moteur, Pressostat, Thermostat, Détecteur de niveau, Figure 12: Carte d’entrée logique Les cartes d’entrées logiques (Digital Input en anglais) peuvent être de 8,16 ou 32 voies. Elles sont équipées de LED qui permettent de nous indiquer l’état logique des entrées affectées sur la carte.

6.3.2. La carte de sortie logique La carte de sortie logique va nous permettre de commander tous les actionneurs de types suivants (entre autres): Électrovanne, Commande de moteur, Voyant lumineux, Figure 13: Carte de sortie logique Les cartes de sortie logique (Digital Output en anglais) peuvent être de 8,16 ou 32 voies. Elles sont aussi équipées de LED qui permettent de nous indiquer l’état logique des sorties affectées sur la carte. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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6.3.3. La carte d’entrée analogique La carte d’entrée analogique va nous permettre d’avoir toutes les mesures, entre autres, de types suivants dans l’automate : Pression, Débit, Température, Niveau, Figure 14: Carte d’entrée analogique Les cartes d’entrée analogique (Analog Input en anglais) peuvent être de 4,8 ou 16 voies

6.3.4. La carte de sortie analogique La carte de sortie analogique va nous permettre de réguler tous les actionneurs suivants : Vanne de régulation, Variateur de vitesse, Figure 15: Carte de sortie analogique Les cartes de sortie analogique (Analog Output en anglais) peuvent être de 4,8 ou 16 voies. Faites bien attention car les cartes d’entrées et sorties analogiques se ressemblent, il est donc préférable de bien regarder les références de cartes qui sont souvent indiquées sur chaque carte. En fonction des références, vous devez consulter la documentation constructeur pour être sûr du type de cartes que vous installez. Cela peut arriver de se tromper !!!!.


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6.3.5. Le Microprocesseur Le microprocesseur est le cerveau de l’automate, c’est lui qui va gérer toutes les entrées sorties de l’automate en fonction du programme qui lui a été implanté. Nous verrons son fonctionnement exact dans les chapitres suivants. Figure 16: Microprocesseur associé à une mémoire Chaque CPU est équipée d’un commutateur de mode permettant de changer de mode de fonctionnement. Celui-ci est principalement un commutateur à clef amovible qui permet de basculer dans les modes de fonctionnement MARCHE (RUN) et ARRET (STOP).

Mémoire

Commutateur de mode de fonctionnement

Les modes de fonctionnement suivants sont possibles : Exécution du programme.

RUN-P

Toutes les fonctions PG sont autorisées Exécution du programme.

RUN

Seules les fonctions PG lecture sont autorisées Le programme n’est pas exécuté.

STOP

MRES

Toutes les fonctions PG sont autorisées Position dans laquelle un effacement général peut être effectué

Figure 17: Les divers modes de fonctionnement d’une CPU PG veut dire console de programmation. Effacement général : Cette fonction efface toutes les données utilisateur de la CPU. Il doit être effectué une fois avant le début de la programmation (en début de projet par exemple). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Ceci a lieu en plusieurs étapes : Etape

Action

Résultat

1

Mettez le commutateur de mode de fonctionnement en position STOP

Le témoin STOP s’allume

Le témoin STOP s’éteint et après envoron 3 secondes, s’allume à nouveau. 2

Mettez le commutateur en position MRES et maintenez-le dans cette position (environ 3 secondes) jusqu’à ce que le témoin STOP se rallume.

Pour les nouvelles CPU, attendez que le témoin STOP s’allume une seconde fois. Important : Entre les étapes 2 et 3, il doit s’écouler au maximum 3 secondes

3

Remettez le commutateur en poistion STOP et ensuite remettez en position MRES après un délai de 2 secondes

Le témoin STOP clignote pendant environ 3 secondes et se rallume ensuite. Tout est OK – l’effacement général de la CPU a été exécuté

Table 1 : Les étapes d’un effacement général de la CPU

6.3.6. La carte de communication La carte de communication va permettre de communiquer en réseau avec plusieurs automates, nous pouvons associer un pc fixe pour la programmation de l’automate par l’intermédiaire d’un coupleur. Elle sert aussi au technicien de maintenance qui peut connecter son pc portable dessus pour vérifier ce qu’il ne fonctionne pas. Figure 18: Carte de communication Vous pouvez remarquer sur la photo que vous avez deux ports Ethernet, c’est ce qu’il va permettre de connecter vos pc avec un câble réseau RJ45.


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6.4. STRUCTURE MATÉRIELLE DES CONTRÔLEURS 6.4.1. Contrôleur classique de procédé Pour appréhender le contrôleur basé sur microprocesseur, il faut essayer de comprendre les contrôleurs analogiques classiques dont il est issu. Divers fournisseurs ont utilisé différentes approches pour concevoir leurs produits, partant de la façon dont ils envisageaient le rôle de leur équivalent analogique. N’oublions pas que les automates programmables industriels (API/PLC) employés en automation dans les entreprises ont d’abord été développés en remplacement des batteries de relais, avec, pour toute interface opérateur, des boutons marche/arrêt pour initier les actions et des lampes pour suivre le déroulement d’une opération et en notifier la fin à l’opérateur. Les origines du contrôle de procédé sont tout autres. Les premiers contrôleurs de procédé ne faisaient physiquement qu’un avec le plateau opérateur. Ils ne comptaient pas seulement un indicateur de variable de procédé (PV) sur une échelle calibrée, mais aussi un point de consigne (set point SP) sur cette même échelle ainsi qu’un indicateur de sortie de signal de contrôle. Sur certains instruments, ce contrôleur n’était pas une Indication de la sortie du contrôleur mais plutôt la position réelle de l’élément final (soupape, unité d’entraînement moteur, etc.) à partir d’un signal de retour Tout ceci faisait partie d’une « boucle de procédé » : procédé-capteur, parfois par un transmetteur, pour rapporter les conditions de procédé au contrôleur et diriger l’élément de fin qui venait régler le procédé. Figure 19: Boucle simple de contrôle à partir d’un contrôleur classique à simple boucle Dans le rack (ou la ficche) du contrôleur réparti, l’emplacement de la carte est devenu celui de différentes boucles se partageant un processeur (Figure ci-dessous). Comme auparavant, il existait des câbles vers les capteurs et éléments finaux mais ce rack de contrôleur ne comptait plus de câbles directs ni de branchements classiques. La spécificité du contrôleur basé sur microprocesseur par rapport au contrôleur classique est la possibilité d’interconnection significative entre analogique et discret. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Tous deux devaient se convertir au numérique. Désormais des valeurs à alarme en une boucle pouvaient déclencher des actions en cascade. Outre le fait pas si évident qu’un nombre « infini » de câbles peut venir se brancher sur un point numérique sans « charge » électrique... Par le passé, cette dernière idée engendrait une sévère restriction sur les capacités à développer différentes stratégies de contrôle. Cette nouvelle liberté par rapport au matériel et câblage réel permet aujourd’hui différentes stratégies de contrôle qui étaient plus qu’hypothétiques autrefois pour devenir pratiques et bon marché. Ils offraient ainsi une nouvelle opportunité d’introduire la notion de productivité encore impensable auparavant en la matière : une nouvelle vision ! Figure 20: Plusieurs boucles partagent le même contrôleur numérique

6.4.2. Architectures du contrôleur Ces dispositifs électroniques appelés contrôleurs présentaient fréquemment des cartes de fonction spécifique aux premières étapes de leur conception. Il y avait ainsi une carte particulière, dédiée spécifiquement aux entrées et sorties, ainsi qu’une carte pour stocker tous les algorithmes (ou blocs fonctions) employés dans ce système. D’autres cartes agissaient comme calculateur, assuraient le stockage de la base de données, la communication numérique sur l’autoroute de l’information ou encore la communication avec les dispositifs externes reliés à distance à ce contrôleur, etc. Au milieu des années 90, deux architectures très générales de contrôleurs sont apparues et ont investi la plupart des DCS toujours en exploitation, parmi les dizaines de milliers existant dans le monde entier. Ces deux types ont influencé l’approche retenue dans les conceptions les plus récentes et il vaut mieux en comprendre le fonctionnement, notamment si votre société en utilise quelques-uns. Les deux versions reposent sur un traitement réparti, mais de façon spécifique. Pour la version à fonction partagée, toutes les boucles arrivant sur ce contrôleur particulier partageaient plusieurs cartes à microprocesseur (Figure ci-dessous).


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Les microprocesseurs étaient fonctionnellement répartis entre traitement E/S, traitement contrôle-commande, traitement de communication, etc. Pour cette structure particulière, les mêmes jeux de cartes étaient employés pour toutes les versions de contrôle, dans la plupart des cas. Ainsi, tous les contrôleurs étaient identiques sur le plan matériel et relativement faciles à maintenir et faire évoluer de façon unique. On pouvait les reconnaître parce qu’ils disposaient de telle carte en carte de sortie (ou en carte ou encore station de stockage), carte de conditionnement, de base de données, d’algorithme, de communication externe. Ces cartes étaient en principe accompagnées d’autres cartes nécessaires, telles que carte d’alimentation ou d’autoroute de l’information. Les premiers contrôleurs EMC, Fischer and Porter, Foxboro Microspec, Honeywell. TDC2000, Leeds & Northrup's MAX 1, Moore Products MYCRO et Powell System's Modicon étaient plutôt de ce type. Figure 21: Structure physique de contrôleur (contrôleur à fonction partagée) Le principal avantage du contrôleur à fonctions partagées est que tous les contrôleurs disposent des mêmes jeux matériel/logiciel, ce qui facilite les commandes, installations, modification de commandes, formation, maintenance et stockage des pièces. Le second type classique de construction reposait sur des cartes individuelles à microprocesseur pour chaque boucle ou jeu de boucles (Figure ci-dessous). Certaines cartes étaient dédiées au contrôle de boucle et d’autres au contrôle logique. Les fonctions de sortie, entrée, conditionnement du signal, etc. étaient assurées sur chaque carte par le même processeur. Il y avait également d’autres cartes dédiées à la programmation, selon le jeu standard d’algorithmes du fournisseur. Souvent, ces cartes sont dites multifunctions, multitâches... Les différentes combinaisons de cartes étaient uniques pour chaque rack de contrôleurs, selon la commande client. Figure 22: Structure physique de contrôleur (rack de contrôleur à boucle individuelle) Chaque rack contrôleur pouvait en outre disposer d’une carte d’autoroute de l’information et d’une carte d’alimentation, parfois d’autres cartes de diagnostic ou encore de circuit de commande pour faire Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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communiquer toutes ces cartes entre elles. Les systèmes de l’époque étaient le plus souvent des Bailey, Fisher Controls, Foxboro IA, Rosemount, Taylor et Toshiba. Le principal avantage de l’approche à contrôleur à boucle individuelle est que la perte d’un processeur n’a d’influence que sur une boucle ou un petit groupe de boucles. Les conceptions ultérieures ont commencé à agencer ces idées peu évidentes à classifier, tirant avantage de la puissance toujours croissante des processeurs et capacités de mémoire. Fruit de ces deux conceptions initiales, une conception plus courante est née, où toutes les fonctions sont embarquées sur une même carte ou un même module. En général, les architectures commercialisées au milieu des années 1990 utilisaient des contrôleurs multifunctions plutôt que des contrôleurs de boucle, de logique ou d’application spécifique. Cette approche offre également les avantages du jeu matériel/logiciel unique. C’est la forme que prend le contrôle programmé au sein des PC. L’avantage de boucles multiples sur la même carte permet même de très puissantes stratégies de contrôle multiboucles. Cette possibilité écarte l’objectif d’intégrité de boucle simple, quasiment impossible à tenir, quelle que soit la stratégie de contrôle de verrouillage choisie. La seule protection pour les actuelles stratégies de contrôle est le contrôleur redondant, désormais plus pratique et meilleur marché qu’auparavant. Attendez-vous à voir un usage plus étendu des langages à multiple configuration sur le même module. La norme IEC 61131-3 définit 5 de ces langages, chacun ayant connu le succès avec plusieurs fournisseurs de PLC. Figure 23: Module de contrôle simple à langages multiples 4 de ces langages reposent sur des blocs fonction pour contrôle continu, logique ladder pour besoins numériques, diagrammes fonction séquentielle pour séquençage et contrôle de lots et textes structurés pour calculs complexes. (Le 5ème est équivalent à l’assembleur, peu convivial pour la configuration de procédé). Un seul fournisseur de process a utilisé des langages multiples de configuration sur un même module depuis 1992 et offre la possibilité de mêler la configuration de tous les langages sur la même technique graphique. La plupart des autres fournisseurs commencent à employer un ou plusieurs des langages IEC pour leur configuration de contrôle. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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6.5. STRUCTURE LOGICIELLE DES CONTRÔLEURS Les contrôleurs analogiques des débuts ont influencé les premières conceptions matérielles mais aussi le logiciel. Ce dernier devait assurer les fonctions réelles des contrôleurs, mais de nouvelles fonctions sont nées des exceptionnelles possibilités des logiciels. Ce sont plus exactement de nouvelles combinaisons de fonctions qui sont devenues possibles et qui continuent de permettre de nouvelles solutions, à moindre coût. C’est là le passionant domaine du développement, qui modifie et fait fortement évoluer tout le domaine du contrôle commande.

6.5.1. Programmation Dans le domaine des PC, on parle souvent de matériel, logiciel et micro-logiciel. Le matériel (Hardware) est la partie physique, visible et palpable de l’ordinateur. Le logiciel (Software) est l’ensemble des instructions dans le PC, ce qui le fait fonctionner. Le micro-logiciel (Firmware) est quant à lui ce qui fait tourner la PROM et reste immuable, faisant tourner certaines routines toujours de la même façon, comme un algorithme pour un contrôleur trimodal, un multiplicateur ou un diviseur. Les calculateurs de poche fonctionnent sur un micro-logiciel. Grâce à la PROM, le bouton + ajoute systématiquement et le bouton x multiplie. Si vous ôtez puis remettez les piles, ces boutons continuent de réaliser la même tâche. Cependant, la machine ne peut retenir les derniers calculs avant le retrait des piles ! Ces valeurs étaient contenues dans la RAM. La programmation du micro-logiciel doit être complète et très spécifique. Les microprocesseurs du contrôleur de process ont en général été programmés pour réaliser un certain nombre de routines de base, définies par commandes. Il en va de même que pour la procédure normale d’exploitation sur un site militaire. Les routines sont inaccessibles, la combinaison correspondante de bits est stockée dans la mémoire morte (ROM), inaccessible à l’utilisateur. Il existe une routine très basique qui commande à la CPU de considérer une instruction pour un registre particulier, réaliser la commande que cette instruction définit puis passer à l’instruction suivante. En l’absence d’instruction, elle attend et scrute périodiquement, jusqu’à apparition d’une autre instruction, qu’elle traite. Pour généraliser un peu, les instructions dirigent les informations qui sont stockées sur une adresse spécifique de la mémoire, fournies au microprocesseur, puis placées sur un Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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registre de données. Elles sont ensuite transmises à une unité arithmétique logique (UAL), dans laquelle les données subissent les opérations arithmétiques ou logiques. Les informations peuvent être stockées temporairement sur un autre registre dit accumulateur, pour être combinées à d’autres parties de données, appelées par une instruction subséquente. Aussi rapidement que possible, les informations modifiées sont envoyées par la CPU pour nouveau stockage dans une mémoire. On peut ainsi réaliser des tâches spécifiques. Les unités de mémoire dans lesquelles ces informations traitées sont stockées ne se trouvent pas dans la mémoire morte (ROM) mais dans la vive (RAM), qui est accessible au programmeur. Le programmeur peut combiner les commandes que le microprocesseur peut exécuter dans un ordre consécutif spécifique qui répondra à ses besoins. Dans notre analogie avec le camp militaire, ce programme est comparable à la série d’activités assurées par les recrues, visant à en faire des soldats.

6.5.2. Organisation du temps d’exécution pour les actions de contrôle Selon le fournisseur, le fonctionnement du logiciel répond à différentes caractéristiques, selon la conception retenue. Comme pour le matériel, la conception logicielle peut varier, pour une même fonction. Dans un logiciel, le microprocesseur lit les lignes de code correspondant à une fonction. Le temps de lecture de toutes les lignes de code est le temps de balayage. Le concepteur dispose de différentes approches pour l’exécution de son logiciel, de même que pour l’assemblage des parties matérielles.

Figure 24: Exécution de fonction de contrôle


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6.5.3. Progrès dans la structure logicielle Les progrès réalisés dans les systèmes répartis ont également largement bénéficié des nouvelles approches en cours et permettent de configurer les systèmes informatiques sans pour autant être programmeur. L’objectif est que l’ingénieur d’usine qui a en charge le développement des systèmes de contrôle-commande des procédés puisse, sans être programmeur, comprendre parfaitement la programmation pour faire fonctionner son système de contrôle commande. Cela dit, les éléments nécessaires au contrôle commande ont évolué en quelques années de la programmation à la configuration.

6.5.4. Programmation contre configuration Il se peut que vous connaissiez le détail du fonctionnement d’une ampoule, cela dit, ce n’est pas capital pour utiliser la lumière produite. Vous avez juste besoin de pouvoir tourner le bouton et d’être suffisamment éclairé pour travailler. La conception d’un système de contrôle repose sur ce même principe. Le code machine était le langage de programmation initial. Dans les faits, tout code d’un processeur revient à cela (compilé, en somme). Plus de mémoire et de puissance traitement ont permis la naissance l’assembleur, ce qui a facilité programmation, du fait de « traductibilité ».

de de la sa

Figure 25: Passage de la programmation à la configuration L’exemple de l’assembleur présenté ci-dessus donne les informations suivantes : Charger un registre A d’accumulateur avec la valeur stockée dans l’emplacement mémoire TEMP Soustraire 150 à la valeur de température stockée dans l’accumulateur A et placer le résultat dans A Si la valeur de l’accumulateur est inférieure à zéro, aller à l’instruction LOOP1, sinon Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Charger A avec un nombre spécifique (qui va faire démarrer le moteur) Stocker le contenu de l’accumulateur A dans l’emplacement MOTOR (fait démarrer le ventilateur de moteur) La logique des relais est née du matériel de relais et a facilité la compréhension des dysfonctionnements des semi-conducteurs par les électriciens nord-américains. La programmation de fonctions complexes comme les PID est très lourde et les ingénieurs préfèrent la logique booléenne pour exprimer les mêmes informations de programmation. L’accroissement de mémoire et la montée en puissance de traitement a rendu possible l’utilisation de langages évolués qui restent cependant assez imperméables à qui n’est pas programmeur. Ces langages sont souvent orientés vers des missions spécifiques : sciences (Pascal), affaires, machines-outils (APT), simulation, analyse de circuit, etc. Tous ces langages ont tenu un rôle dans l’histoire des méthodes de programmation des contrôles, qu’il s’agisse de contrôle logique ou contrôle réparti de programmation. Tous ont évolué au fil du temps.

6.5.5. Blocs fonction Les fournisseurs de contrôle-commande de procédé trouvaient la plupart de ces langages trop compliqués pour les utilisateurs qui avaient besoin d’outils faciles de configuration plutôt que de programmation. Cela a conduit ces fournisseurs à développer des blocs fonction pour disposer de stratégies de contrôle, en les reliant de différentes façons par câblage virtuel. Le fournisseur X annonce 40 algorithmes Le fournisseur Q en annonce 400 ! Qui propose le plus grand nombre de fonctionnalités ? Aucun des deux peut-être ! Le premier peut proposer de grands blocs fonction, très complets et puissants, dont certains offrent des alarmes appropriées et des liens numériques d’état embarqués. Si plus tard vous devez ajouter des alarmes ou relier l’état d’une nouvelle fonction, il vous faudra vous brancher sur l’existant sans pouvoir changer les temps de balayage ou trouver la place nécessaire pour glisser la (les) fonction(s) dans la configuration. En général, les fournisseurs qui ont employé l’approche de l’intervalle fixe de temps ont mis en œuvre des blocs grandes fonctions. Le second fournisseur peut proposer plusieurs blocs fonctions plus petits. Plusieurs blocs fonction peuvent être nécessaires pour créer une opération assurée par un seul bloc du premier fournisseur. (J’ai en mémoire un fournisseur qui appelait 42 blocs petite fonction pour réaliser une action de contrôle en cascade, ce qu’assurait l’un de ses concurrents avec seulement 2 de ses blocs fonction). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Des blocs de plus petite fonction offrent clairement une plus grande flexibilité, mais une quelconque modification impliquera sans doute une plus grande réorganisation de la stratégie de contrôle, un re-calcul fastidieux des temps de balayage et la prise en compte d’autres interactions. Cela nécessite parfois une vérification de l’ordre de celle nécessaire pour du code informatique. En général, les fournisseurs ayant fait le choix de l’intervalle variable de temps proposent des blocs de plus petite fonction.

6.5.6. Connection des blocs Les fournisseurs ont créé l’équivalent plusieurs types de matériel d’instruments en créant des blocs fonction réalisant les mêmes calculs. L’ensemble de ceux-ci est en principe en micro-logiciel, du logiciel qui se pense comme du matériel, un peu comme un produit fantôme (vaporware), vendu avant existence réelle du produit.

Figure 26: Passage du matériel au micro-logiciel : les blocs fonctions peuvent être des instruments’ Ces blocs de fonction standardisée varient en général d’un fournisseur à l’autre et leur conception interdit à l’utilisateur toute modification d’actions fondamentales. Ils proposent cependant nombre d’ajusteurs et terminaux, comme pour le matériel qu’ils remplacent. Ainsi, la « programmation » de ces fonctions ne nécessite pas de test systématique à chaque utilisation. La personne en charge de la configuration peut donc parfaitement attendre d’eux qu’ils fonctionnent toujours de la même façon, sans avoir à recourir à ce que les programmeurs appellent la coordination (linking).


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Analogie du linking (coordination) Vous vous faires une omelette un matin et un enfant de 4 ans vous aide. Quiconque en a dans son entourage sait que les enfants de cet âge veulent désespérément apporter de l’aide mais qu’ils ne sont pas assez expérimentés pour le faire réellement. Vous n’en attendez pas moins que cette expérience de l’aide apportée porte ses fruits plus tard. « Donne-moi vite deux œufs » lui dites vous. La réaction de l’enfant est de vous les lancer, n’avez-vous pas dit vite ? Ils se brisent évidemment. Vous dites « non, apporte-les moi en les mettant à l’abri ». L’enfant pense à les mettre dans ses poches, où ils se brisent à nouveau. Comme vous voulez des œufs entiers, vous modifiez à nouveau votre requête. L’enfant trouve un sac et y place délicatement les 2 nouveaux œufs. Entre la longueur de son bras et la taille du sac, les œufs se fracassent à nouveau, cette fois sur le sol (ils étaient pourtant à l’abri dans le sac !), au moment où l’enfant tout heureux vient vers vous avec son sac. Cela dit, chacune de vos instructions était juste et les réponses apportées adaptées, mais les œufs ne sont jamais arrivés entiers. C’est ce que les programmeurs appellent la coordination. On peut tous donner des instructions à un ordinateur, mais avec la véritable expérience de l’application on peut surtout dire tout ce qu’il ne faut pas faire ! Plaçons quelques blocs fonction dans une configuration simple, comme figure ci-après. La puissance de ce concept combinatoire de fonctions est stupéfiant pour qui est habitué aux anciennes méthodes matérielles d’élaboration de stratégie de contrôle ! Figure 27: Combinaison de blocs fonction Imaginez toutes les versions possibles de cette optimisation de connection de blocs fonction entre eux à l’entrée du gain d’un contrôleur tri-modal (PID). Par exemple : Un bloc fonction de commutateur à 8 positions pourrait sélectionner différents gains d’après une entrée opérateur ou des entrées produites par différentes étapes du procédé. Un bloc fonction générateur de rampe pourrait faire varier le gain en fonction d’une variable ou de la différence entre deux variables. Un générateur de fonction pourrait modifier le gain en fonction d’une réponse non-linéaire unique à une variable ou d’une fonction entre deux variables. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Etc. Le seul facteur limitant est l’imagination de l’ingénieur de procédé ! Il y a quelques années, cela n’était possible que par un ordinateur central unique, par le biais de liaisons de communication vulnérables et lentes. Avec du matériel, ce n’était sans doute pas possible du tout ou manquait pour le moins de praticité. C’est de ces cas de configuration que les changements peuvent apparaître dans les techniques de process qui garantissent la productivité. La productivité était la véritable raison pour que votre chef vous dise de regarder dans le DCS. À gauche et à droite sur la figure suivante, vous pouvez voir des connections physiques sur un contrôleur, provenant du monde réel des capteurs et éléments terminaux. Entre les barres verticales se trouvent des blocs fonction reliés par câblage virtuel, établissant une stratégie de contrôle. L’exemple est ici une chaudière industrielle, avec contrôle analogique du fuel et de l’huile. Ces contrôles sont interconnectés, de sorte que si le point de consigne du contrôleur d’air est modifié, des liaisons et circuits de commande assurent le bon niveau de fuel. L’opérateur n’a pas besoin de les gérer de façon indépendante, avec des résultats imparfaits.

Figure 28 : Branchement des blocs fonction par câblage virtuel Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Vous noterez par ailleurs les déclencheurs discrets en cas d’extinction de la flamme, de niveau d’huile trop bas, etc. Ils sont par ailleurs reliés à des circuits de commande logique, afin de pouvoir éteindre la chaudière si l’ensemble des conditions l’impose. Notez en outre l’impact de la pression de vapeur, débit d’huile, pression dans la colonne et débit d’air. Il y a même ici une équation pour le rendement de la chaudière. Bien entendu, une chaudière pour une installation de puissance serait bien plus complexe, mais pourrait toutefois être réalisée par des blocs fonction et un câblage virtuel.

6.6. REDONDANCE DU CONTRÔLEUR Au bon vieux temps du matériel de contrôle monoboucle, il était assez rare qu’une boucle de procédé soit doublée par une autre boucle. En principe, la solution de secours était de passer en mode manuel. Pour les procédés critiques, cependant, le coût d’achat d’un autre contrôleur était justifié pour une boucle de secours de contrôle 1 pour 1. Figure 29: Contrôle monoboucle redondant pour intégrité monoboucle Si le procédé présentait le moindre contrôle de verrouillage, même aussi simple qu’un contrôle en cascade, une telle solution de secours s’avérait très difficile et chère. S’il fallait des relais de verrouillage, la redondance devenait très compliquée du fait des composants additionnels, qui pouvaient éventuellement rendre la stratégie moins fiable !

6.6.1. Le mythe de l’intégrité boucle simple Il y a sans aucun doute des possibilités de contrôle redondant pour une boucle simple de procédé. On peut cependant penser qu’on en a fait plus que nécessaire. La plupart des contrôleurs basés sur microprocesseur se trouvent sur des unités de procédé à plus d’une variable simple, comme par exemple la température. Bien souvent, cette boucle est liée à la pression, au débit et à un analyseur ou autres dispositifs. Dans ce cas, la boucle n’est plus indépendante et si la boucle se déroule mal, c’est toute l’exploitation qui s’arrête.


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Pour éviter cela, c’est toute la stratégie qui doit être redondante ou la boucle simple doit être doublée avec un grand nombre de relais et coupe-circuit vulnérables, qui, comme nous l’avons déjà mentionné auparavant, sont plus suceptibles de faillir que la boucle de contrôle elle-même. Le succès de l’intégrité de boucle simple a commencé au début des systèmes répartis, alors que le contrôle partagé de boucle était le seul moyen bon marché pour utiliser les microprocesseurs. Dans un mauvais contexte commercial, un fournisseur sans DCS faisait face à un fournisseur qui en proposait et perdait des marchés. Pour changer le rapport coût/bénéfice du vendeur de DCS, le second vendeur montait une campagne pour écrire des spécif sur la nécessité de proposer des backup pour chaque boucle, indépendamment des autres. La redondance en était à ses débuts et le fournisseur de DCS avait développé un schéma pour assurer le backup de ses fiches de contrôleurs multilboucles, de façon économique, en partageant jusqu’à 8 fiches contrôleurs avec un « directeur » unique de secours relié à une fiche de contrôleur unique vide. En raison de ce coût, ce schéma ne devenait rentable que lorsque 4 fiches contrôleur ou plus partageaient ce système. Le second fournisseur, qui se battait avec des contrôleurs monoboucle classiques devait développer un programme de publicité martelant que seul le secours monoboucle un pour un était fiable. Ceci convainquit plusieurs clients d’exiger un secours monoboucle un pour un, ce qui obligeait le fournisseur de DCS qui favorisait l’approche du backup partagé de proposer au quadruple l’équipement (et son coût) pour répondre aux exigences client. Désormais, les schémas de contrôle puissant multi-boucle sont si aisément obtenus par des contrôleurs boucle partagée à microprocesseur que la plupart des procédés d’unité en emploient. Comme nous pourrons le voir un peu plus avant dans ce chapitre, l’ensemble des contrôleurs multi boucle à microprocesseur peuvent être rendus redondants. Malgré tout, et très longtemps après ces batailles commerciales, les vendeurs continuent de rencontrer des clients qui demandent dans leurs spécifications une intégrité monoboucle, ne serait-ce que parce qu’ils ignorent que la véritable question est de rendre redondant l’ensemble de la stratégie de contrôle.

6.6.2. Ordinateur principal redondant Lorsque les ordinateurs centraux sont arrivés sur le marché, il était très difficile, mais pas impossible (voir ci-dessous), de les rendre redondants. Figure 30: Ordinateur principal redondant Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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La recopie électronique de code n’était pas encore très pratique. Il était impossible de rechercher automatiquement une modification dans la programmation du premier à refléter sur le second. Il a fallu créer un mécanisme de permutation (routine logicielle) de façon à obtenir un alignement de toutes les entrées et sorties. Lorsqu’une erreur apparaissait sur le premier poste (lorsque et pas si), la routine de permutation devait comparer chaque ligne de code avant d’autoriser la modification. Ce travail coûtait ainsi un temps considérable, parfois des heures de travail. Voilà qui serait tout à fait inacceptable dans la plupart des applications de contrôle de procédé. Ayez à l’esprit le fait que la plus grande part de notre héritage informatique venait des ordinateurs commerciaux, pour lesquels la perte de fonctions n’était pas aussi vitale que la perte de produit sur une ligne de production.

6.6.3. Redondance à boucle partagée basée sur microprocesseur Avec l’avènement des premiers contrôleurs à microprocesseur, les premières conceptions étaient celle de contrôleurs à boucle partagée pour des raisons de coût. Il y avait là 8 boucles dans le même boîtier. Il était acquis que ces versions numériques des boucles de process résidant dans un même boîtier pouvaient effectivement transférer les informations entre les boucles et permettre des stratégies complexes de contrôle. De ce fait, il a ensuite été tenu pour acquis que c’était là la meilleure solution de secours pour l’ensemble de la stratégie globale de contrôle. De fait, il était également nécessaire de procéder à des diagnostics sur ces nouveaux processeurs et leur circuiterie. Un circuit spécifique de surveillance était nécessaire pour visualiser les diagnostics dans ce contrôleur et déterminer s’il était nécessaire de commuter vers le backup. À cette époque, ce process revenait cher. Il a ainsi été décidé de partager plusieurs « fiches » du contrôleur avec ce directeur du backup de contrôle pour limiter les coûts (Figure ci-contre). Figure 31: Redondance à boucle partagée


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Par l’unité de contrôle et le lien de communication numérique entre celle-ci et les contrôleurs, chacun d’entre eux pouvait conserver les mêmes entrées/sorties sans nécessité de commutation physique, plutôt que d’employer un contrôleur resté disponible pour conserver la stratégie de contrôle logiciel configurée. Lorsque l’unité de contrôle percevait que le diagnostic de l’un de ces 8 contrôleurs était mauvais, elle pouvait commuter immédiatement la base de données depuis le contrôleur défaillant vers un contrôleur de secours, rediriger les entrées et sorties et continuer l’exploitation depuis ce nouveau contrôleur, comme contrôleur principal ou primaire. Tout se déroulait bien dans le laps de temps de défaillance du contrôleur déficient. Dans une architecture dont tous les jeux matériel/logiciel sont identiques, les stratégies de contrôle sélectionnées pour ces contrôleurs ne sont pas nécessaires. Un backup 1 pour N est possible parce que toutes les stratégies de contrôles sont redoublées. La redondance est transparente pour le procédé mais aussi pour l’affichage opérateur (sauf, bien entendu, diagnostic concernant la panne initiale). Le système compte sur la possibilité statistiquement faible qu’un contrôleur supplémentaire ne tombe en panne avant que le contrôleur primaire ne soit remis en service. C’était là une méthode relativement sûre de secours, mais, naturellement, le fait de retirer une base de données d’un contrôleur défaillant effrayait quantité de personnes. Je pense que cette peur était sans fondement en pratique.

6.6.4. Redondance basée sur microprocesseur pour racks monocartes de contrôleur Dans les architecture de conception des contrôleurs à plusieurs jeux de cartes par contrôleur, la redondance de fiches est une exception (Figure ci-contre).

Figure 32: Rack monocarte de contrôleur redondant Lorsque les fournisseurs de ces mêmes structures proposaient une version multifunction, il apparaissait quantité de solutions de secours. On peut les résumer en deux familles typiques : partagée et un-à-un. On ne trouve plus que quelques-unes de ces versions sur le marché, mais il en existe des dizaines de milliers en exploitation dans des usines du monde entier. Sur ces racks de contrôleurs monocarte proposés par différents fournisseurs, seules des cartes multifonction peuvent dupliquer leur exacte jumelle. La plupart d’entre elles sont automatiquement mises à jour à la moindre modification apparaissant sur le contrôleur Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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primaire. Quelques fournisseurs permettent le chargement du secours avec une configuration différente et parlent de l’avantage d’autoriser une reconfiguration à chaud. Ceci peut être dangereux, car cela implique une rigoureuse et systématique discipline de la part de chacun des utilisateurs du système, afin de garantir que la bonne configuration soit sauvegardée pour le cas où une panne se produirait. Dans le cas contraire... il pourrait se passer des choses très étonnantes sur le procédé ! Il existe une forme partagée de secours, 1-pour-N chez certains fournisseurs, pour le cas où plus d’une carte multifonction identique (matérielle) serait sauvegardée par un « directeur » sur une carte de secours. Ici, comme pour les racks à contrôleur partagé, chaque stratégie de configuration doit être unique. Il y a permutation des E/S de la carte défaillante vers la carte redondante. Sur certaines des versions partagées, une carte spécifique de mémoire conserve l’ensemble des configurations (mais pas les valeurs courantes) de toutes les cartes de ce rack et télécharge selon les besoins celle qu’il convient. D’autres récupèrent la configuration adaptée au contrôleur, à partir d’une station de travail. Les deux types (partagé et un-pour-un) disposent de cartes redondantes sur le même fond de panier et certains utilisent des chemins redondants de circuit sur ce fond de panier. Certains fournisseurs emploient des chemins redondants de bus sur le fond de panier pour assurer la sécurité, déclarant que le fond de panier est passif et susceptible de subir des pannes. Cependant, nombre d’entre eux ne prennent pas la peine de placer la carte redondante sur une alimentation séparée. Il est également possible de disposer d’une source d’alimentation indépendante, pour le cas où la panne concernerait également cette alimentation. Certains systèmes permettent une sauvegarde rack-par-rack avec différentes armoires équipées de différentes sources d’alimentation et ces différentes sources peuvent ainsi disposer de différents chemins de source d’alimentation pour chacune de ces cartes. Sur nombre de ces contrôleurs programmés multifonction, la configuration a été assemblée comme s’il s’agissait d’un seul gros programme. Si le contrôleur est en milieu de balayage sur ce programme et qu’il se produit une quelconque interruption, l’action de contrôle commande devra alors redémarrer au début de ce balayage sur le contrôleur redondant, le plus souvent en redémarrant chaque traitement séquentiel. C’est ce qui se produit s’il faut recharger la configuration à partir d’un autre emplacement sur un module de remplacement. Dans le domaine du contrôle commande d’un four à traitement thermique, une usine pharmaceutique ou à procédé discontinu pour la chimie, cela pourrait poser problème. Certains fournisseurs ont conçu le contrôleur redondant comme un disque de secours à chaud, qui scrute en continu les valeurs courantes, ainsi que les modifications en ou hors ligne sur la configuration du contrôleur primaire.


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Cela garantit que la permutation se fait de façon plus souple et que le procédé se poursuit relativement continûment. Dans cette architecture où tous les jeux matériel/logiciel sont identiques (les stratégies de contrôle sélectif n’ont pas à l’être) mais aussi pour certains contrôleurs de type module simple, une stratégie de secours 1 pour 1 est possible entre racks séparés de contrôleurs (Figure ci-contre). Figure 33 : Racks redondants 1 pour 1 Il est également possible de sélectionner les E/S partagées ou redondantes et dans certains cas des E/S à la fois partagées et redondantes sur chaque contrôleur. Sur certains systèmes, les E/S redondantes sont disponibles sur chaque contrôleur. Mais tous les fournisseurs ne proposent pas cette correspondance. Dans ce cas de figure, les contrôleurs peuvent être situés dans des armoires différentes, avec différentes alimentations, si ce niveau d’intégrité de données est nécessaire. Ces différentes solutions sont proposées pour que l’utilisateur puisse jouer entre prix et redondance, selon les besoins sur un même système.

6.6.5. Coupures d’alimentation Nous avons précédemment établi qu’une interruption d’alimentation impliquait souvent que la stratégie de contrôle séquentiel reprenne sa routine au début. Ce peut également être le cas sur plusieurs modèles de PLC. Le plus souvent, ce n’est pas un problème pour des situations d’automatisation industrielle mais pour le contrôle de procédé cela pourrait compromettre le procédé lui-même, selon la compléxité du système. Aujourd’hui, la plupart des contrôleurs disposent d’horloges internes pour noter la durée d’une perte d’alimentation, de sorte qu’au rétablissement de l’alimentation la stratégie du contrôleur soit cohérente. Figure 34: Les coupures d’alimentation altèrent le contrôle-commande Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Si certains contrôleurs doivent encore recharger leur configuration après une interruption d’alimentation, nombre d’entre eux sont équipés de batteries internes afin de protéger la mémoire RAM, qui contient la configuration. La charge de ces batteries est souvent surveillée et un temps d’alerte significatif est fourni par des diagnostics internes. Cette alarme, qui se déclenche en principe plusieurs semaines à l’avance, s’affiche sur le contrôleur lui-même (DEL ou code alphanumérique) ainsi que sur l’affichage vidéo de diagnostic destiné aux opérateurs et autres.

6.7. BRANCHEMENT AU CONTRÔLEUR Les 2 sources principales d’entrées et de sorties du contrôleur sont à l’interface du process et de l’opérateur. Le présent chapitre présente simplement le matériel entrant en jeu. L’interface avec le procédé doit gérer tous les signaux vers et à partir du procédé, qu’ils proviennent des capteurs ou soient modifiés par des transmetteurs. La technologie modifie très vite toute cette séquence, non seulement sur les réseaux numériques de bus de terrain, mais aussi la nature profonde des capteurs eux-mêmes. L’autre interface critique est celle avec l’opérateur humain.

6.7.1. Sous réseau d’entrées/sorties vers les dispositifs de terrain Dans la plupart des systèmes de contrôle commande, la station de contrôle sur un réseau gère toutes les entrées et sorties ainsi que les fonctions de contrôle. Dans la boucle de contrôle du process, le branchement au capteur par le contrôleur et le retour à l’élément final de contrôle devra être libre. Ceci implique que tous les chemins aux entrées et sorties du contrôleur soient aussi directs que possible, même s’ils doivent être partagés entre différentes entrées et sorties. Les entrées et sorties d’un contrôleur sont en principe passées d’analogiques à discret. Quelques entrées à impulsion ont été mises à disposition au fil du temps pour des dispositifs tels que fréquencemètres et des sorties à impulsion pour certaines unités d’entraînement par moteur ou équivalents. La conversion de signal se produisait en général sur le contrôleur lui-même, avec la conversion analogique/numérique des contrôleurs numériques. Le branchement des E/S au monde réel implique également toutes les questions délicates telles que les boucles de terre, perturbations radioélectriques (RFI), interférences électromagnétiques (EMI), protection contre les surtensions, protection contre les atmosphères dangereuses, etc.


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Bien que les modifications technologiques aient un impact sur cette partie du système, le présent document (qui nous semble suffisamment long) ne s’intéressera pas plus avant aux nombreuses questions de câblage standard d’instrumentation et vous propose de compulser d’autres publications sur ce sujet. Il existe aujourd’hui plusieurs versions de modules d’E/S reliés à la plupart des modules de contrôleur, proposées en général pour les valeurs discrètes et analogiques.

Figure 35: Même les E/S locales se branchent sur un bus dans les contrôleurs Les modules E/S sont typiquement dédiés aux dispositifs toutes entrées ou toutes sorties discrètes ou analogiques et certains fournisseurs proposent parfois un module unique sur lequel chaque terminal peut être configuré comme entrée ou sortie. D’autres entrées peuvent également être reçues, pour les nombreux signaux des capteurs, analyseurs et autres dispositifs (tels que signaux faible niveau des différents thermocouples, thermistors, capteur de température à [RTD], signaux numériques issus des chromatographes, etc). Le choix et la combinaison de ces modules, outre le nombre de terminaux disponibles sur chacun d’entre eux, peut faire la différence en termes d’espace d’armoire nécessaire pour un projet particulier. Plutôt que d’utiliser des contrôleurs, les modules E/S eux-mêmes ont de plus en plus souvent tendance à présenter des microprocesseurs pour la conversion d’analogique à numérique (et l’inverse), la linéarisation et le pré-traitement de signal.

6.7.2. Conversion numérique d’entrées et sorties Différentes sortes de signaux arrivent sur le contrôleur, à partir par exemple des commutateurs et relais discrets, de lumière, température, débit et pression. Des signaux numériques de communication peuvent même provenir de la frappe d’un clavier. Tous ces signaux, qu’ils proviennent de valeurs discretes ou analogiques doivent ensuite être converties en numérique. Dans le contrôle commande de procédé, ces signaux analogiques sont typiquement entre 4 et 20 milliampères (mA), CC.


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Une fois réalisée la manipulation de ces signaux numériques au sein du contrôleur, ils doivent à nouveau être convertis en sorties discrètes et analogiques. Parfois à impulsion, les signaux discrets de sortie sont en principe entre 1 et 5 volts (V) CC (4-20 mA) pour pouvoir commander des actionneurs et positionneurs de valve ou des entraînements par moteur. Des signaux discrets de sortie entraînent des solénoïdes, freins d’inertie, relais, voyants indicateurs et autres. Les communications numériques servent également à transmettre des données à différents affichages opérateurs et imprimantes. Il existe plusieurs techniques de conversion entre signaux analogiques et numériques. La figure suivante présente le principe de modification d’un bit numérique à chaque passage de seuil par le signal. Plus grand est le nombre de seuils potentiels, meilleure est la conformité entre signal réel et signal détecté. À mesure que le signal analogique passe différents seuils, tous sont enregistrés en bits. Dans cet exemple, il s’agit d’une conversion à 3 bits, lors du passage du signal de 0 à +4V puis redescente jusqu’à –4V. Les bits d’horloge réguliers se lisent de gauche à droite et à chaque intersection de bit il se forme une marche vers chaque point de la courbe. La conversion repose sur 23 combinaisons de 1 et 0.

Figure 36: Méthode de visualisation de conversion analogique-numérique La conformité est la mesure de la proximité de représentation de la courbe par ces marches. Plus la marche est haute et la pente raide, moins bonne est la précision par rapport à la courbe réelle. À l’inverse, à marche petite et pente plus douce, les sommets des marches représentent plus précisément la courbe réelle.


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Cet accroissement du nombre de marches et contre-marches améliore la résolution. Ainsi, plus il y a de bits pour représenter les formes de la courbe analogique, meilleure est la résolution. Vu l’avancement technologique actuel, on trouve typiquement des résolutions 14-bit pour les entrées et 10-bit pour les sorties. Pour illustrer l’amélioration, une entrée 13-bit représente une résolution de 1 pour 8 000 et une entrée 14-bit une résolution de 1 pour 16 000, soit une amélioration conséquente dans la conformité. Chaque bit supplémentaire double la résolution : résolution 1-bit = 1 pour 2 résolution 2-bit = 1 pour 4 résolution 3-bit = 1 pour 8 résolution 4-bit = 1 pour 16 résolution 5-bit = 1 pour 32 résolution 6-bit = 1 pour 64 résolution 7-bit = 1 pour 128 résolution 8-bit = 1 pour 256 résolution 9-bit = 1 pour 512 résolution 10-bit = 1 pour 1 024 résolution 11-bit = 1 pour 2 048 résolution 12-bit = 1 pour 4 096 résolution 13-bit = 1 pour 8 192 résolution 14-bit = 1 pour 16 384 résolution 15-bit = 1 pour 32 768 résolution 16-bit = 1 pour 65 536 résolution 17-bit = 1 pour 131 072 résolution 18-bit = 1 pour 262 144 résolution 19-bit = 1 pour 524 288 résolution 20-bit = 1 pour 1 048 576 (Note : les entrées présentent une meilleure résolution que les sorties pour permettre un arrondi dans les calculs. La résolution des capteurs et éléments terminaux du monde réel nécessite rarement cela, mais la somme des codes de qualité présentés dans ces calculs le permettrait). Une meilleure résolution sur les entrées ou sorties est sans doute inutile. Un accroissement de la résolution sur l’entrée permet un arrondi au fil du traitement. La précision des capteurs eux-mêmes est le plus souvent inférieure à ce niveau de résolution. De même pour la sortie, où une résolution 10-bit est sans doute supérieure à ce que peuvent suivre la plupart des dispositifs en sortie. Naturellement, avec les progrès technologiques, ces limites en viendront sans doute à changer de façon significative, notamment à mesure que les capteurs et éléments terminaux deviennent eux-mêmes numériques et nécessitent toujours moins de conversion en signaux analogiques. La communication E/S numérique de bus de terrain devient la norme. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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6.7.3. Connections d’entrées/sorties distantes Les E/S distantes sont de plus en plus fréquemment (souvent avec traitement de signal) disponibles. C’est devenu le sous-réseau de communication numérique du contrôleur et le plus souvent la connection est plutôt parallèle que série. Le caractère parallèle n’est bien évidemment pas obligatoire. Tout cela dépend de la nature du lien de communication du fournisseur et de la rapidité avec laquelle l’information de process peut entrer et sortir du contrôleur. Jusqu’au milieu des années 1990 ce sous-réseau était par nécessité une liaison propriétaire du fournisseur pour correspondre aux vitesses temps réel et garantir un bon contrôle de boucle. Différents fournisseurs ont proposé ces concepts comme standard de fait. C’est dans ce domaine que la notion de bus de terrain est née. Figure 37: E/S distantes avec connections P2P aux autres contrôleurs De nombreux système utilisent aujourd’hui les techniques modernes de communication des autoroutes de l’information qui permettent des liaisons directes P2P avec d’autres contrôleurs (Figure suivante). Les données temps réel n’ont pas à passer par d’autres dispositifs, tels que station de travail ou contrôleur de trafic, pouvant induire de lourds délais. Ainsi, un signal peut entrer dans le système sur un contrôleur et servir à un autre sur le même réseau en permettant des fonctions de contrôle bien plus sophistiquées. La plupart des fournisseurs, mais pas tous, offrent une communication à une armoire distante pour les entrées et sorties (figure suivante). Du fait de la distance, le signal pourra être différent du bus E/S normal, parfois fibre optique. Cela permettra des économies considerables sur des sites qui ne nécessitent pas eux-mêmes de contrôleur sur le site distant. Figure 38: Connections E/S distantes étendues Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les économies considérables ne proviennent pas seulement du nombre inférieur de terminaux mais aussi d’économies sur le coût de réalisation de chaque point terminal, celui des câbles d’extension de thermocouple onéreux et autres. L’emploi de fibres optiques peut accroître les économies car il ne requiert pas de protection contre les perturbations électromagnétiques, radioélectriques, la foudre et les boucles de terre. La fibre optique : peut passer sous des flaques d’eau sans risque de court-circuit est insensible à pratiquement toutes les atmosphères corrosives peut traverser des atmosphères dangereuses avec peu de risques de déclencher une explosion en cas de rupture À la fin des années 1990 des capteurs et éléments toujours plus nombreux peuvent transmettre des données par réseaux numériques de communication de terrain (figure suivante). En général, les systèmes employent une carte ou un module de communication pour relier un contrôleur avec différents protocoles numériques. Un changement de carte peut compromettre le travail avec un autre protocole. Ces protocoles étaient au départ le plus souvent propriétaires mais dans l’usage courant (souvent encouragé par les fournisseurs) sont devenus des standards de fait. Figure 39: Communication numérique de terrain HART (Transducteur à distance, adressable par bus) est apparu comme le protocole du transmetteur « intelligent » de Rosemount. Ce fournisseur a choisi alors d’ouvrir son protocole pour en permettre la copie par d’autres. D’autres fournisseurs ont alors employé HART, devenu ainsi un standard de fait. Il existe aujourd’hui ainsi un comité HART, composé de nombre de fournisseurs et utilisateurs qui supervisent l’emploi et les définitions du standard. Il existe des avantages à suivre les standards de bus de terrain en mode single drop, tel que le caractère interchangeable du matériel de capteur et d’élément final chez différents fournisseurs pour la même fonction. Le multi-drop ajoute à ces avantages une économie en coût de câblage. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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6.7.4. Influence des bus de terrain Il existe une pression considérable de la part des vendeurs et des utilisateurs pour développer une liaison numérique aux capteurs et éléments finaux de contrôle, plutôt que le traditionnel signal analogique 4 à 20 mA. Ce lien numérique n’offre pas seulement une entrée simple provenant d’un capteur ou entrant sur l’élément de contrôle, mais aussi une communication viable et bi-directionnelle entre ces éléments. Sur la plupart des systèmes d’aujourd’hui, la liaison au procédé lui-même est toujours analogique. Il existe cependant une possibilité pour qu’un lien numérique existe, qui puisse transporter plus d’informations, être plus précis et moins vulnérable à l’activité de conversion de signal. Les avantages des bus de terrain sont les suivants : Câblage considérablement réduit d’où baisse du coût de contrôle de celui-ci Plus évolutifs, d’où possibilité d’évoluer à la mesure des besoins Induisent encore moins de risques et permettent une plus grande tolérance de défauts Entrouvrent la possibilité d’une inter-opérabilité multi-fournisseurs Permettent des liaisons plus directes entre systèmes de contrôle réparti (DCS) et interconnections avec les PLC Le contrôle peut être –à nouveau- local Ces avantages créent de nouvelles opportunités pour superviser le mode de contrôlecommande d’une usine. Un bon usage des bus de terrain offrira ainsi les bénéfices dune installation avec moins de câblage, d’une configuration distante améliorée, d’une documentation plus automatisée et de la compatibilité avec plusieurs fournisseurs. Ils offriront en outre les bénéfices opérationnels d’une meilleure exactitude et précision, un contrôle de meilleure qualité et plus sûr, de plus nombreuses informations, une meilleure fiabilité et sécurité et de moindres temps d’arrêt. Cela permet par ailleurs des gains en termes de maintenance, notamment concernant une fiabilité accrue, des remplacements bon marché de l’équipement, une documentation automatisée et des diagnostics distants. Quels sont les inconvénients des bus de terrain ? Le plus important est qu’ils nécessitent un standard commun à un grand nombre de personnes et de sociétés dont les intérêts ne sont pas les mêmes. De ce fait, il apparaît des problèmes d’ordre politique entre fournisseurs, dont chacun a souvent plusieurs types différents d’informations à faire transiter le long du système de communication.


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Par exemple, un fournisseur dont la simple entrée de thermocouple devrait subir le coût d’un logiciel très cher de supervision avec un transmetteur intelligent pour communiquer sur le même réseau. Un système complet de communication nécessite de nombreux blocs fonction logiciels pour permettre à cette variété de produits sophistiqués de cohabiter sur le système. Ce qui peut rendre onéreux un simple transmetteur de température du fait de la technologie actuelle. Il existe nombre d’autres problèmes. Ainsi, combien d’informations devront transiter sur ce bus de terrain ? Il existe nombre de fournisseurs et leurs utilisateurs doivent communiquer des quantités considerables d’informations, ce qui accroît les coûts de ceux qui ont moins de besoins. D’autres fournisseurs sentent qu’ils n’ont besoin que d’une petite quantité d’informations, ce qui réduit les coûts mais aussi la flexibilité. Toutes ces questions apparaissent en comité et, comme souvent, il s’y déroule nombre de discussions et retours d’expérience avant d’arriver à une idée commune et unifiée mondiale (qui s’appliquerait en Asie, Afrique, Europe et aux Amériques).

6.7.5. Sous réseau d’entrées/sorties – interface homme Quelques contrôleurs peuvent se connecter directement aux PC pour permettre une configuration moins coûteuse des interfaces terminal et opérateur (IO). Certains ont même un PC sur le même rack de carte, avec les modules d’E/S (Figure suivante). Un joli système compact de ce type offre à l’utilisateur un contrôle bon marché mais également de puissances capacités DCS sur une petite unité de procédé. Ceci offre en outre un très puissant kit de démarrage à l’utilisateur, qui peut être étendu avec l’expansion du process. Plus classiquement, un tel système est acheté en essai avant d’investir dans un système plus important de ce fournisseur. Figure 40: Interface opérateur locale directement reliée au contrôleur Vers la fin des années 1990, quelques-uns des principaux fournisseurs ont distribué des produits basés sur le PC, dont on prétend qu’ils sont ouverts alors que dans les faits, ils ne permettent pas le chemin de migration vers les versions ultérieures que l’on pourrait en attendre, du fait de leur technologie de conception et n’offrent pas non plus la connectivité suffisante vers leurs importants DCS existants. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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L’étape suivante de la migration serait la possibilité de relier un PC sur le bus de fond de panier du (des) contrôleur(s) pour l’exploitation locale d’un traitement d’une unité plus importante. Au-delà, on pourrait imaginer un réseau propriétaire sur une salle de contrôle plus locale, avec plusieurs PC (figure suivante). Ce réseau pourrait également reposer sur plusieurs normes de protocoles différents, qui ne sont pas temps réel. Par certaines restrictions sur la conception, les fabricants ont réussi à obtenir du « pratiquement » temps réel. Figure 41: Système dans un réseau de plusieurs PC IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - société professionnelle internationale qui émet se propres normes et est membre de l’ANSI (American National Standards Institute) et de l’ISO (Organisation internationale de normalisation). lEEE 802.3 - norme Ethernet LAN sauf pour zone type (10 Mbps) ; standard couche physique, méthode d’accès CSMA/CD sur LAN à structure en bus. lEEE 802.4 - norme couche physique à LAN de topologie token-ring ; quasiidentique au protocole MAP. lEEE 802.5 - norme couche physique à LAN de topologie token-ring. IEEE 802.6 – norme réseau métropolitain (ou réseau local haut débit). lEEE 802.11 – LAN radio et sans fil . lEEE 802.12 – projet de norme pour réseau 100BASE-VG. Des fonction plus sophistiquées peuvent être tirées de stations de travail plus puissantes (et plus chères), déjà construites à partir de l’une des nombreuses variantes UNIX (figure suivante). Windows NT commence à prendre sa place ici, mais UNIX n’est pas près d’être distancé ! En général dans une relation Client/Serveur, les stations de travail UNIX permettent de gérer plus de points et balises système. Comme il est possible d’utiliser terminaux X, on peut ajouter plus de vues dans la salle de contrôle, ce qui permet plus de sauvegardes significatives. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les terminaux X sont schématiquement ceux qui utilisent l’électronique sur le serveur de la station de travail. Sur l’exemple ci-contre, les contrôleurs redondants sont suceptibles d’avoir des adresses uniques. Ceci n’est pas toujours vrai pour tous les systèmes. Le lien redondant permet un transfert instantané, indépendamment de l’activité du support de l’information. Figure 42 : Interfaces utilisateur plus puissantes Architecture Client/Serveur – Une approche du traitement informatique dans laquelle les fonctions des applications sont partagées entre plusieurs ordinateurs sur le même réseau Client/Serveur répartit la charge de calcul entre différents ordinateurs sur le réseau. Ce n’est pas une exclusivité UNIX et devient très populaire avec NT ou XP. Client – L’un des différents dispositifs présents en général sur un réseau informatique, alimenté par un autre processeur agissant comme serveur de données, mémoire ou fonction(s) ; le logiciel client interroge et répond au logiciel du serveur. Serveur - Un processeur qui fournit au réseau un service spécifique, tel qu’une fonction de routage et agit comme source commune de données, mémoire ou fonctions à partager avec plusieurs dispositifs qui les demandent.


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7. LE DCS ET SON RESEAU Les nouvelles versions de DCS sont particulièrement câblées tout en réseau industriel. En particulier, avec les capteurs transmetteurs et les actionneurs qui sont associés à des bus de terrain en Profibus DP ou PA (DP pour les entrées sorties Tout Ou Rien et PA pur les entrées sorties analogiques). Les systèmes DCS communiquent en réseau ETHERNET avec les ordinateurs servant aux opérateurs souvent appelés ‘OS’ (Operating System), tout cela en communiquant par l’intermédiaire de passerelle et de cartes réseaux. Chaque carte de communication d’automate et chaque port de passerelle sont adressés avec une adresse IP.

Figure 43: Principe de l’architecture réseau d’un DCS


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7.1. LE BUS DE TERRAIN 7.1.1. Architecture

Figure 44: Architecture bus de terrain associé à un système DCS Sur cet architecture, qui est de plus en plus utilisé, vous pouvez vous apercevoir que nous câblons tous nos instruments de mesure et actionneurs sur des entrées/sorties déportées (ici sur notre exemple ce sont des entrées/sorties déportées ABB).

7.1.2. Les modules d’entrées sorties déportées Ces modules d’entrées/sorties déportées peuvent être conçues soit en version standard ou alors en version zones à risque Ex. Ils nous permettent d’associer toute l’instrumentation en réseau avec un DCS, ceci vous permet un gain de temps de câblage considérable. Le plus judicieux est d’associer des capteurs/transmetteurs avec protocole de communication HART, ceci vous permettra de changer les paramètres de vos capteurs à distance ou alors de diagnostiquer vos capteurs à distance en cas de panne. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Ces modules d’entrées/sortie en Profibus PA sont interconnectés entre eux par un câble Profibus (vois cours accessoires en instrumentation) et surtout n’oubliez pas en bout de ligne d’installer une résistance de fin de ligne sinon, votre DCS va vous informer cycliquement qu’il y a une coupure de réseau et vos entrées/sorties câblés sur tout votre bus réseau ne fonctionneront jamais.

7.1.3. Le coupleur Profibus PA / DP Afin de pouvoir faire communiquer tout vos instruments en réseau, il est nécessaire d’installer un coupleur Profibus PA / DP. Sur la figure cidessus, c’est un coupleur Profibus PA / DP Siemens. Remarque : Il ne faut pas oublier d’adresser chaque module d’entrées / sorties, pour cela selon le constructeur vous avez des petits switchs à l’intérieur des modules qui vous permettront de l’adresser. Deux modules ne doivent pas avoir la même adresse physique sur un même bus. Figure 45: Exemple de coupleur DP / PA SIEMENS Ce type de coupleur est interconnecté sur le bus en RS485 à l’aide de connecteurs en SUB-D 9 broches Vous avez bien sûr des voyants de type LED qui vous permettent de visualiser si le coupleur communique bien et s’il n’y a pas de défauts sur le bus. Figure 46: Connecteur bus sub-d 9 broches

En sortie de ce coupleur, vous connectez votre coupleur à votre carte CPU (microprocesseur) du système DCS en Profibus DP. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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C’est le même principe pour mettre des entrées sorties tout ou rien en réseau avec votre système de conduite à part que vous aurez la seule différence d’un coupleur DP / DP. Pour les longues distances entre module d’entrées sorties déportées et le système DCS, il est préférable d’installer des câbles en fibre optique car en Profibus vous êtes limitez à une distance maximum de 300 mètres. Sur un même réseau, vous pouvez aussi rajouter des entrées sorties en cas de revamping mais il faut bien faire attention au nombre limité d’entrées sorties selon les fournisseurs sur un même bus de réseau (il faudra dans ce cas là ajouter aussi des répéteurs RS485). Mais vous devez vous dire, comment je fais pour visualiser en salle de contrôle toutes ces informations ? Et bien nous allons voir cela tout de suite dans le chapitre suivant.

7.2. LE DCS ET SA PARTIE SOFTWARE 7.2.1. Introduction Un système de contrôle commande DCS est obligatoirement associé à des ordinateurs industriels qui vont permettre la visualisation et le contrôle de toutes les installations d’un site pétrolier. Ce système est de nos jours associés aux éléments suivants : Deux serveurs, Des Operating System dit ‘OS’ (ce sont les pc industriels que les opérateurs utilisent pour gérer le bon fonctionnement de leurs installations de productions) Des Engineering System dit ‘ES’ (ce sont les pc industriels qui vont servir à la programmation des DCS).

7.2.2. Les serveurs Ce sont deux pc industriels hautement performent avec double disque dur rack, cela permet au cas où un disque dur tombe en panne que l’autre prend le relais. Ils sont généralement situés dans les locaux techniques instrumentation. Ils sont entièrement redondants et reliés aux cartes microprocesseurs de chaque système DCS à l’aide de leur carte réseau (carte réseau utilisant adresse mac pour plus de sécurité ou éviter des conflits avec d’autres cartes). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 47: Exemple de PC serveur Comme vous pouvez le constater sur la photo les pc serveurs d’un système DCS sont en rack 19 pouces et sont souvent installés dans des armoires en local technique avec écran, clavier et souris afin d’intervenir sur les serveurs comme vous le souhaitez. Ces serveurs ont pour fonction de stocker tous les historiques, toutes les alarmes, tous les programmes des DCS, toutes les vues synoptiques. Il gère donc tous les pc clients OS ainsi que les postes ES. Vous avez la plupart du temps un graveur DVD qui va vous permettre de pouvoir sauvegarder toute la configuration de votre système de conduite. Il est important de faire des sauvegardes régulièrement. Il est strictement déconseillé de configurer ce genre de pc soit même car ce sont des ordinateurs qui sont configurés par les fournisseurs de DCS car ils sont extrêmement complexes à paramétrer. Vous avez tout un tas de licence spécifique pour les serveurs à installer, une configuration réseau spécifique, etc……

7.2.3. Les operating system dit ‘OS client’ Ce sont les ordinateurs servant aux opérateurs et aussi aux instrumentistes.

Figure 48: Exemple de PC servant aux opérateurs

Plant Mimic Monitor

Mouse or Tracker Ball

QWERTY Keyboard


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Sur ce genre de pc, vous n’avez accès qu’aux vues synoptiques, listing d’alarmes, historiques, boucles de régulation avec ‘face plate’ des régulateurs etc…. Les OS client se trouve généralement en salle de contrôle. Ils sont interconnectés sur un réseau ethernet associé au système DCS.

Figure 49: Salle de contrôle avec des pc OS client Le ou les pc OS client ont un logiciel graphique d’installer avec une licence appropriée. Ils vont en fait venir chercher toutes les vues synoptiques qui sont enregistrées dans les serveurs. Vous pouvez donc en conclure que quand vos serveurs ne fonctionnent plus, l’opérateur ne pourra plus rien visualiser à l’écran. Les OS client viennent chercher toutes les informations nécessaires à leur fonctionnement sur le serveur maître, si le serveur maître tombe en panne ils basculent automatiquement sur le serveur esclave et vous avez une petite interruption des vues synoptiques et de toutes les informations associées pendant le basculement. L’interface graphique de chaque OS client est installé sous Windows XP voir Vista édition professionnelle.

7.2.4. Les Engineering System dit ‘ES’ Les pc Engineering System ont la même particularité que les pc OS client sauf que les pc ES vous pourrez effectuer des modifications ou des projets complet à partir de ce poste. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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C’est un PC de configuration qui va vous permettre de modifier des programmes, ajouter des vues synoptiques, etc…. Si vous êtes sur un projet vous aurez certainement l’occasion d’utiliser l’interface graphique qui vous verrez selon le constructeur vous offre des bibliothèques bien développées de nos jours. Vous avez pratiquement tous les symboles de la norme ISA qui sont intégrés dans la bibliothèque ainsi que des petits outils utiles qui ont été rajouté selon le constructeur. Voici des exemples d’outils extrait de la bibliothèque du logiciel ‘graphics designer’ de chez SIEMENS :

Figure 50: Exemples d'outils du logiciel "Graphics Designer" Le pc ES va vous permettre aussi de compiler et de charger toutes vos modifications dans chacun des serveurs associés. Il ne faut surtout pas oublier de le faire car si vous enregistrez seulement vos modifications dans le PC ES et qui vous ne le faite pas sur les serveurs et bien quand vous aurez un problème sur les serveurs toutes vos modifications seront perdues.


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7.2.5. Exemples de vues synoptiques

Figure 51: Exemple d’une vue synoptique d’un séparateur Sur cette vue synoptique vous pouvez voir en couleur orange et jaune les tuyauteries process ainsi que des symboles de vannes de régulation, de vannes tout ou rien, des mesures de débit, pression, niveau, etc….. La plupart du temps, quand les vannes sont ouvertes elles sont de couleur vertes ou quand elles sont fermées elles sont de couleur rouge. Le bandeau en haut de la vue synoptique avec sur cet exemple les boutons 1, 2, 3 et 4 servent au chaînage de vues : c'est-à-dire que quand vous cliquez sur un de ces 4 boutons vous allez directement sur la vue désirée. Le bandeau noir en bas de la vue synoptique est le plus souvent un bandeau servant à afficher toutes les alarmes. En fonction de la gravité de l’alarme (priorité), vous pouvez les acquittez. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 52: Exemples d’alarmes sur une vue synoptique Comme nous venons de le dire, les alarmes s’affichent sur le bandeau en bas de la vue synoptique et vous pouvez voir aussi que les boutons 1 et 2 sur le bandeau du haut, ceuxci sont de couleur jaune, cela veut dire que sur les vues 1 et 2 vous avez des alarmes de priorités correspondante à la couleur jaune. Vous avez devinez qu’il y a aussi des régulations sur une vue synoptique et bien pour cela selon les paramétrages il vous suffit de cliquez sur une vanne de régulation ou sur une mesure qui est affichée pour vous apercevoir qu’un régulateur va s’afficher comme sur la figure ci-dessous


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Figure 53: Face plate d’un régulateur sur une vue synoptique Je m’aperçois bien ici qu’en cliquant sur le ‘bargraphe’ de la mesure de niveau du séparateur et bien le régulateur s’affiche et vous pouvez faire ce que vous voulez par exemple : Passer le régulateur en manuel et mettre la sortie du régulateur à 50% pour ouvrir la vanne et ainsi faire diminuer le niveau du séparateur. Vous pouvez aussi afficher sur le régulateur la tendance réelle de la mesure avec la sortie de la vanne de régulateur pour vérifier les actions PID du régulateur. Etc……


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Vous pouvez aussi démarrer ou arrêter une pompe à distance comme sur la figure cidessous.

Figure 54: Face plate d’une pompe sur une vue synoptique Ou aussi grâce à cette ‘face plate vous pouvez voir aussi les défauts qui vous empêche de démarrer la pompe (exemple : pressostat, fin de course vanne fermée, etc….) Vous pouvez ainsi contrôler tout un process industriel à l’aide du DCS qui devient de plus en plus évoluer. Je vous conseille de faire une formation chez le fournisseur de votre DCS qui vous permettra vraiment d’améliorer plein de détails sur un DCS et d’intervenir rapidement en cas de problèmes.


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7.3. ARCHITECTURE TYPIQUE D’UN DCS

Figure 55: Architecture typique et simplifiée d’un DCS Les ‘Process controller, PLC’s, Fire and gas et ESD’ sont interconnectés sur des switchs par l’intermédiaire de leur carte de communication pour être ensuite relié aux serveurs.

7.3.1. Exemple d’architecture du DCS Freelance 2000 du fournisseur ABB Ethernet (TCP/IP) est bien présent au niveau supérieur. Le réseau de terrain n'est pas précisé ; en effet Freelance est prévu pour fonctionner simultanément avec les réseaux suivants : Frofibus-DP Modbus Bus CAN E/S Freelance 2000 CAN Bus ouvert Fieldbus Foundation Et il intègre la possibilité d'utiliser Hart sur ses entrées-sorties classiques. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 56: Architecture réseau du DCS Freelance 2000 (ABB)

7.3.2. Exemple d’architecture du DCS Delta V de Emerson

Figure 57: Architecture du DCS Delta V (Emerson) Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 58: Détails concernant l’adaptateur du réseau de terrain Le système de conduite utilise le réseau FIELBUS pour connecter les instruments de mesure sur les cartes entrées sorties du controller.

7.3.3. Conclusion La tendance est de ne plus avoir que deux niveaux de réseau: le niveau Ethernet, le niveau réseau de terrain. Il existe un grand nombre de type de réseaux de terrain, il faut distinguer des réseaux assez généralistes et classiques comme profibus DP avec comme média la fibre optique ou la liaison RS485 et des réseaux plus spécifiquement dédiés à l'instrument en milieu antidéflagrant sous la norme IEC1158-2. Il ne faut pas croire qu'un réseau de terrain est associé à un DCS particulier, bien au contraire on peut généralement installer plusieurs cartes différentes sur un même DCS. Chaque constructeur a naturellement ses préférences mais les évolutions sont rapides. Par exemple Endress et Hauser, utilisateur de Profibus a adopté en 2000 la possibilité d'interfaces Fieldbus Foundation pour ses instruments et de même, Fisher-Rosemount, utilisateur de Fieldbus Foundation pour son système "Delta V", commercialise une carte au format Profibus.


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8. LES RESEAUX LOCAUX INDUSTRIELS On peut considérer que les réseaux locaux sont apparus il y a une quarantaine d’années, ils servaient au transfert de données entre machines. Leurs utilisations répondaient à la nécessité de transférer des données (souvent élémentaire) entre un calculateur et des automates ou entre un calculateur et des instruments de mesure. Nous pouvons citer 2 réseaux très connus, que nous étudierons sommairement dans les chapitres suivants, HPIB (IEEE 488) et RS 232. Toutefois l'expansion des performances de l'électronique créant le développement de l’informatique que nous connaissons, ces réseaux furent vite dépassés, et bien que les normes RS 232 et HPIB restent encore utilisées de nos jours, il convient de fortement relativiser leur domaine d’utilisation. Aujourd'hui, les réseaux sont des éléments courants de l’informatique. ETHERNET est le réseau le plus répandu dans le cadre industriel. Cependant, il existe bien des applications où ETHERNET est inutilisable, par exemple, le transfert d’information simple, en temps réel, entre des automates et des ordinateurs, ou pire encore entre des capteurs et un automate. C’est ici qu’apparaissent les nouveaux réseaux locaux industriels.

Figure 59 : Exemple de minimisation des coûts par mise en œuvre de réseau Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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On cherche en général, lors de l’utilisation d’un réseau, une approche simple et transparente des communications, une réduction des coûts de fabrication (dans la mesure où le câblage diminue et où les coûts de développement sont souvent réduits) et surtout un standard, disponible pour toutes les applications industrielles de fabrication. Or c'est là que se situe le principal problème avec les réseaux locaux, la multiplication des standards rend souvent la sélection complexe, seuls comptent alors l'application et le matériel disponible. En effet, souvent les constructeurs d'automates sont aussi des constructeurs de réseaux locaux, d'où une parfaite compatibilité des machines, et par extension inadéquation pour les machines des autres marques. Heureusement, certains systèmes semblent devenir des standards de fait, c'est à dire des standards par la force des choses. A ce petit jeu, rare seront les gagnants, mais il semble que CAN soit devenu le standard en terme de réseau embarqué (dans l'automobile ou dans aéronautique). Il n'en reste pas moins que l'avenir n'est pas clair.

Figure 60 : Les différents types de réseau Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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On peut donc espérer qu'à l'instar de l'informatique, les prochaines années verront apparaître, non un, mais un ensemble de réseaux normalisés, standardisés et accessible par tous les fabricants. Les réseaux les plus connus et leur domaine de prédilection : DATABUS : les réseaux chargés de transférer des quantités importantes de données à longue distance (+1000km), sans notion de temps réel. FIELDBUS : les réseaux qui permettent de contrôler les structures, soit une quantité relativement faible de donnée à faire circuler sur des distances assez importantes (1km), avec une notion d'événement temps réel. DEVICEBUS : les réseaux locaux qui font transiter des flots peu importants de données sur de faibles distances (100m) en temps réel. SENSORBUS : les réseaux locaux qui ne font transiter que des événements sur des distances réduites (de 10 à 100m) en temps réel.

8.1. LES TECHNIQUES DE TRANSMISSION D’INFORMATION Comme on l'a vu, pour transmettre une information, les problèmes sont nombreux. Donc on a tendance à utiliser les méthodes éprouvées, héritées des télécommunications. Mais l’évolution technologique a sévèrement remis en cause cette vision peu innovatrice des choses. Avant d'étudier les méthodes utilisées pour transmettre un signal en bande de base ou en bande décalée (on verra ces termes plus tard), il convient de préciser comment on réalise une liaison entre deux machines, proches ou lointaines. Comme on la vu précédemment, le bruit est un grand ennemis des transmission. On va voir dans le chapitre qui suit qu'il n'est ni le seul ennemis, ni irréversible.

8.1.1. Les techniques de connexion Connecter deux machines entre elle semble simple au premier abord. Il existe trois méthodes de connexion : La connexion à un fil, La connexion à deux fils avec masse, La connexion à deux fils différentielle.


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Figure 61: Les techniques de connexion

8.1.1.1. Liaison monofilaire Dans le cas d'une transmission à un seul fil, on joue sur le fait que la masse est la même pour les deux machines, ce qui ne peut être vrai que pour des distances extrêmement courtes (sur une même carte électronique par exemple). Ce type de liaison ne peut pas s'appliquer à grande distance. Par exemple, en considérant que masse et terre sont reliées, si l'on réalisait un tel câblage entre l'Europe et les Etats Unis d'Amérique, la différence de potentiel entre les deux terre peut dépasser les 100V. De plus la liaison ainsi réalisée serait extrêmement sensible au bruit.

8.1.1.2. Liaison bifilaire avec masse La tentation immédiate, pour résoudre le problème des liaisons monofilaires, consiste à ajouter une seconde liaison à la masse, à la fois pour résoudre le problème de la différence de potentiel entre les deux raccordements à la terre, mais aussi pour protéger le signal, par exemple en réalisant un blindage. Cette technique présente des avantages (la protection des données, par exemple) et de nombreux inconvénients comme par exemple le parasitage de la masse (quand la liaison est longue), la différence de potentiel intercontinentale qui peut induire de forts courants dans les fils ou tout simplement le risque de foudre sur la ligne qui pourrait détruire à la fois l'émetteur et le récepteur.

8.1.1.3. Liaison bifilaire différentielle Pour lutter efficacement contre le bruit, on utilise quasi systématiquement la solution qui consiste à transmettre en mode différentiel. Le mode différentiel consiste à envoyer l'information sur 2 lignes.


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Comprenons-nous bien, l'information n'est pas redondante, elle est dédoublée. On crée ainsi une voie en "logique positive" et une autre en "logique négative", l'information étant la soustraction de ces 2 signaux. En cas de perturbation, les deux fils de la liaison sont touchés presque en même temps par la perturbation et avec presque la même puissance de bruit. Si au départ de la ligne on a un signal d'information d'amplitude 2A. A l'arrivée de la ligne, on a donc d'une part sur la première voie le "demi signal" de données (A) et un bruit (B) et sur l'autre voie, le même "demi signal" mais cette fois ci inversé (-A) et le bruit (B). En soustrayant les signaux des deux voies, on obtient la sortie S : S = (A + B) − (−A + B) = A + B + A − B = 2 ⋅ A Comme on ne transmet plus la masse, l'information est flottante, sans référence. A l'arrivée, la soustraction des 2 signaux s'effectue, elle avec la référence de masse locale, ce qui fixe le potentiel du signal à sa destination finale. Plus de problème de différence de potentiel entre les masses. Ce type de liaison est utilisé dans de très nombreux réseaux à moyenne ou grande échelle (ETHERNET) ou subissant un environnement extrêmement bruyant (CAN). Maintenant que l'on connaît les techniques permettant de réaliser l'interconnexion entre deux machines en vue d'une transmission, il faut s'intéresser aux modifications à apporter aux données pour leur permettre de circuler sur la ligne. On a vu que les transmissions différentielles utilisent des transformateurs. Il est donc indispensable que les signaux transmis aient une composante continue nulle, ce qui n'est pas le cas des signaux "binaire" classique. Il va donc falloir modifier ces signaux pour pouvoir réaliser ces transmissions, mais aussi, pour limiter le spectre des signaux et essayer ainsi d'augmenter le nombre de canaux dans une liaison. Pour transmettre plusieurs signaux dans une ligne, on a longtemps utilisé des méthodes analogiques : les modulations. Maintenant que l’informatique et les systèmes numériques fonctionnent à des vitesses élevées, on s’est naturellement tourné vers techniques de transmission numérique. Et partant de là, on a étudié des systèmes capables de compacter le signal sur des gammes de fréquence de plus en plus réduites, ces méthodes sont regroupées sous le nom de transmission en bande de base.

8.1.2. La transmission en bande de base. Le principe de la transmission en bande consiste à modifier le spectre du signal, sans le décaler dans un autre domaine de fréquence, en jouant sur des paramètres d'amplitude ou en associant différents signaux. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.1.2.1. Les polarités On dit d'un code qu'il est unipolaire lorsque le codage de l'information fait intervenir un niveau électrique (en plus de la masse). On dit d'un code qu'il est bipolaire lorsque le codage de l'information fait intervenir deux niveaux électriques pour coder l'information (la masse pouvant être utilisée comme 3ème niveau). Les codes bipolaires éliminent généralement la composante continue du signal transmis. Exemples :

Figure 62: Exemples polarités

8.1.2.2. Le retour à zéro Les systèmes de transmission jouent aussi sur la façon de coder un signal en terme, non plus de niveau de tension, mais d'évolution dans le temps. Le code que nous appelons le binaire ('0' = 0V et '1' = +5V) est en réalité un code unipolaire (le niveau des tension), NRZ (l'organisation dans le temps). NRZ signifiant Non Return to Zéro, c'est à dire : qui ne change pas d'état pendant la durée d'un bit. C'est en fait le contraire du code RZ (Return to Zéro) qui crée automatiquement un retour à l'état zéro pendant la durée d'un bit. Exemple :

Figure 63: Exemple retour à zéro Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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On peut aussi parler des codes NRZI (Non Return to Zéro Inverted). Ces codes engendrent des changements de niveaux du signal en sortie du codeur sur un niveau donné du signal entrant. Par exemple, le code NRZI-S (Non Return to zéro Inverted on Space) change l'état du signal en sortie à chaque fois que le bit présenté à l'entrée du codeur est à '0' (le zéro étant considéré comme un espace).

8.1.2.3. Les codages asynchrone Le principal souci avec les codes asynchrones est justement présent dans leurs noms, il s'agit de l'absence d'horloge. Les horloges respectives de l'émetteur et du récepteur n'étant par définition pas les mêmes, elles battent à des rythmes proches mais différents. Il faut donc réussir à resynchroniser régulièrement les deux machines. Ce sont les fronts sur le signal de données qui sont utilisés pour recaler l'horloge du récepteur sur celle de l'émetteur. Or plus la transmission se fait pour de grosse quantité de données, plus la probabilité d'avoir un long "blanc", c'est à dire une absence de front, est grande. Voilà pourquoi, il est excessivement rare d'utiliser des codes asynchrones sans avoir de petits messages à transmettre (quitte à ce qu'il y ait beaucoup de petits messages successifs). Dès que la transmission nécessite le transfert d'une grosse quantité de données, on a tendance à utiliser des codes synchrones.

8.1.2.4. Les codages synchrones Le principe des codes synchrones réside dans le mélange de l'information d'horloge avec le signal de données pour composer un signal possédant à la fois une horloge facilement utilisable et dont on peut facilement extraire les données.

Figure 64: Codages synchrones Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le code Manchester II Ce code est assez utilisé dans les réseaux, c'est un code biphasé et bipolaire. Le principe du codage Manchester consiste à traduire le '1' comme un front descendant et le '0' comme un front montant. Pour ce faire, on utilise une fonction logique NON OU EXCLUSIF entre l'horloge et le signal de données.

Figure 65: Code Manchester II Ce signal peut paraître assez compliqué à analyser, mais en réalité il est très simple. Tout les nombres impairs de fois T/2 (T/2, 3T/2, 5T/2, …), il y a systématiquement un front. Si ce front est montant, il s'agit d'un '0' logique, si ce front est descendant, il s'agit d'un '1' logique. Épisodiquement, il y a sur le signal des fronts après un nombre pair de demi période. Ce phénomène apparaît lorsqu'il y a consécutivement deux bits ayant la même valeur. En effet pour pouvoir avoir deux fronts descendants, il est indispensable d'avoir un front montant entre les deux. Le signal codé en Manchester, outre qu'il ne comporte pas de composante continue, élargi considérablement le spectre du signal NRZ au point de lui faire occuper une bande de fréquence située entre 2F/3 et 3F/2 (F est la fréquence de l'horloge d'émission). Son spectre contient donc inévitablement une composante à la fréquence F de l'horloge. La réalisation d'un tel codage est, comme on l'a vu, extrêmement simple. Son décodage est quand à lui un peu plus difficile, il faut recréer une horloge (la partie compliquée du travail) avant de passer cette horloge dans une même porte NON OU EXCLUSIF pour récupérer les données. La régénération de l'horloge ne peut se faire qu'en éliminant les transitions aux instants multiples de T, et en ne gardant que les fronts à T/2. A l'origine, on utilisait (avant que les techniques numériques ne le remplace) un système à base de monostables non redéclenchable pour éliminer les fronts à T. Puis on utilisait une PLL pour re-fabriquer à partir du signal extrait des monostables, une horloge de même fréquence et en phase avec celle de l'émetteur. Cette horloge était en suite utilisée pour la récupération des données. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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La "lenteur" de la synchronisation de la PLL imposait alors de longues salves de données pour permettre au récepteur de se caler. Pour Ethernet (qui utilise le codage Manchester II), il y a 7 octets utilisés en tant que salve. Le code Miller Le code Miller est un code dérivé du code biphasé classique, il répond à la nécessité de transmettre un signal dans une bande plus étroite. Pour réaliser un code Miller, on passe le code biphasé dans une bascule montée en diviseur par 2.

Figure 66: Code Miller Bien entendu, cette fois ci, le décodage est beaucoup plus compliqué. Le code HDB3 Le code HDB3 est le code utilisé en téléphonie (pas au niveau utilisateur, mais au niveau des centraux et de l'international). Le code HDB3 est un code bipolaire, retour à zéro, alterné (les bits à '1' sont une fois positifs, une fois négatifs), asynchrone. Il permet de transmettre des trames extrêmement longues, sans qu'il puisse il y avoir de désynchronisation de l'émetteur et du récepteur. Le principe utilisé ici s'appelle le bit stuffing, il consiste (dans le cas du code HDB3) à substituer des bits à '0' par des bits fictivement à '1'. On parle alors de bit stuffing substitutif. Dans le cas d'autres réseaux, il n'y a pas substitution, mais ajout d'un bit à '1'. On parle alors de bit stuffing additif. Dans le code HDB3, si une série de plus de 3 zéros consécutifs apparaît sur la ligne de données (d'où le 3 de HDB3), on substitue volontairement le quatrième '0' par un '1' qu'on appelle bit de viol.


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Figure 67: Code HDB3 Pour pouvoir identifier immédiatement un bit de viol d'un bit réellement à '1', le bit de viol est systématiquement de la même polarité que le dernier bit à '1' (que ce soit un vrai bit à '1' ou un bit de bourrage). Ce bit viol la règle de l'alternance. Toutefois, ce non respect de l'alternance risque, en cas de très longue série de '0', d'engendrer l'apparition d'une tension continue (les bits de viols étant tous dans le même sens). Pour les compenser, on introduit donc des bits dit de bourrage pour forcer des alternances. Les bits de bourrage respectent la règle de l'alternance. On les insère dans la transmission si le nombre total de bits à '1' depuis le dernier bit de viol est pair. Ainsi en cas de longue série de '0', les bits de bourrage en s'alternant éliminent la composante continue. Le décodage de ce système est simple, il consiste à repérer les bits de viol (facile, il ne respectent pas la règle de l'alternance), puis pour éliminer les bits de bourrage, il faut savoir qu'un bit de viol est précédé d'une série de trois '0'…

8.1.3. La transmission en bande décalée La transmission en bande décalée consiste à traiter l'information pour modifier sa fréquence et déplacer ainsi son spectre à un endroit donné. Cette opération s'appelle une modulation. En effet, si plusieurs personnes "parlent" en même temps en un même lieu, il est assez difficile d'extraire la parole de l'un de la parole de l'autre. Dans le cas de la radio, un grand nombre d'émetteurs qui "parlent" en même temps, mais heureusement pour nos oreilles, grâce aux modulations, pas aux mêmes fréquences. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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De plus, la voix ne se transmet pas bien à grande distance (le milieu ayant tendance à très vite l'atténuer). Les techniques de modulation permettent donc à la fois de trouver la fréquence où le milieu est le plus propice à la transmission, et en même temps à autoriser que plusieurs émetteurs parlent en même temps. Bien que relativement peu utilisée dans le monde des réseaux câblés, les modulations ont fait récemment une entrée remarquable, dans le monde des réseaux, avec l'apparition des technologies sans fil (WIRELESS). Cette technique de transmission étant assez spécifique au monde télécommunications, je préfère me contenter d'une rapide présentation sans détails ni fioritures.

des

Il existe deux familles de modulations analogiques. L'une fait évoluer l'amplitude d'un signal à haute fréquence en fonction d'un autre signal contenant l'information. On parle alors de modulation d'amplitude. L'autre fait varier non plus l'amplitude, mais la phase, ou la fréquence, du signal porteur en fonction du signal informatif. On parle alors de modulation angulaire. Les modulations d'amplitude sont en général inadaptées aux signaux logiques car elles ne savent pas transmettre convenablement un front (on a vu que l'élément fondamental d'une transmission de signaux numérique est le front du signal de données). De plus, les modulations d'amplitude sont très sensibles aux bruits. Les modulation angulaires sont quand à elle beaucoup plus complexes à mettre en oeuvre, mais elles offrent, par contre, de très nombreux avantages comme une bonne immunité au bruit ou la capacité de transmettre des fronts assez raides. Elles sont donc beaucoup plus utilisées que les modulations d'amplitude pour transmettre des signaux numériques.

8.1.3.1. Les modulations d'amplitude. Les modulations d'amplitude sont utilisées essentiellement dans des gammes d'ondes dites telluriques (fréquences qui se propagent par effet de sol sur de très longues distances). Les modulations d'amplitudes reposent sur le principe de la multiplication de 2 signaux. D'un coté, un signal informatif appelé signal modulant (f) et d'un signal "haute fréquence" appelé porteuse (p). En sortie, du modulateur on récupère un signal modulé (s).


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Expressions mathématiques : f et p sont dans notre exemple des sinusoïdes :

On constate que s est composé de deux sinusoïdes. Si on s'intéresse au spectre de s. Sachant que : et On trouve alors le spectre de s :

Cela se traduit par une représentation en fréquence :

Figure 68: Représentation en fréquence des modulations d'amplitude Si maintenant on considère que le signal informatif n'est plus une sinusoïde mais un signal polychromatique (qui est constitué d'un spectre de plusieurs raies). On peut alors considérer que si la transformée de Fourrier du signal f(t) est F(ω), on trouve alors l'expression de S(ω). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Ce qui donne le spectre suivant :

Figure 69: Spectre modulations d'amplitude

8.1.3.2. Les différentes modulations d'amplitude Il existe trois grands types de modulation d'amplitude. Modulation d'amplitude avec porteuse La modulation d'amplitude avec porteuse permet de transmettre le signal informatif en conservant une image de la porteuse. Le spectre de la modulation d'amplitude avec porteuse est le suivant :


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Figure 70: Modulation d'amplitude avec porteuse On peut réaliser une modulation d'amplitude avec porteuse en insérant une composante continue dans le signal informatif. On peut donc écrire :

Où m est appelé indice de modulation. En considérant maintenant la valeur absolue de m, on peut décrire trois types de modulation : Si │m│= 0, on se trouve dans le cas d’une modulation sans porteuse, Si │m│< 1, on est dans un cas de sous modulation, Si │m│> 1, on se trouve dans un cas de sur modulation. On étudiera dans le chapitre suivant le cas des modulations sans porteuses. Lorsqu'on réalise une modulation avec porteuse, on utilise exclusivement des indices de modulation m supérieur à 1. Au dessous de 1, le signal informatif passant au dessous de zéro volt, on ne peut plus utiliser une détection d’enveloppe pour la démodulation du signal et seule une détection synchrone permet de démoduler le signal. Or ce type de démodulation est aussi celui employé pour les modulations sans porteuses. Dans ce cas, pourquoi consommer de l'énergie à transmettre une porteuse dont on n’a physiquement pas besoin ?


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La représentation temporelle des signaux est alors variable, en fonction de m. Dans le cas d’une sur modulation (indice de m supérieur à 1), le signal informatif est toujours supérieur à 0.

Figure 71 : Modulation d'amplitude avec porteuse (m>1) Or si le principal avantage de ce type de modulation réside dans la simplicité de la démodulation par détection d'enveloppe, leur principal défaut réside dans leur très faible rendement de transmission (généralement inférieur à 50%). Dès lors qu'une démodulation cohérente est nécessaire, on préfèrera donc des modulations d'amplitude sans porteuses. Les modulations d'amplitude sans porteuse Les modulations sans porteuse permettent d'économiser la puissance que l'on fournit à la porteuse et qui fait énormément chuter le rendement de transmission. Dans une modulation d'amplitude sans porteuse, on est confronté à la nécessité de reconstituer une porteuse pour démoduler le signal. Or on a régulièrement (à chaque fois que le signal informatif passe par zéro volt), une inversion de la phase de la porteuse. On peut facilement distinguer par représentation temporelle la différence entre les modulations avec et sans porteuses. Le surcoût engendré par la démodulation de ce signal, classe cette modulation dans la même gamme de prix que les modulations angulaires, qui sont, comme on le verra plus loin, beaucoup plus résistantes aux perturbations. On a donc tendance à ne pas utiliser de modulation d'amplitude sans porteuse, au profit des modulations angulaires. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 72 : Modulation d'amplitude sans porteuse Les modulations d'amplitude à bande réduite Les modulations à bande réduite sont des techniques de transmission assez récentes. La plus connue de ces modulations est la modulation BLU (Bande Latérale Unique). Elle a un rendement de modulation de 100% (toute l'énergie est utilisée par le signal d'information).

Figure 73: Modulation d’amplitude à bande réduite Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Néanmoins elle est extrêmement complexe à démoduler, ce qui la rend inutilisable dans les réseaux locaux. Le principe de la modulation BLU consiste à éliminer à la fois la porteuse et la moitié du spectre du signal informatif. Remarques sur les modulations d'amplitude Les modulations d'amplitude sont totalement absentes du monde des réseaux locaux industriel, les fronts des signaux numériques se prêtant peu à l’utilisation de modulations d’amplitude. Leur usage est en général limité aux transmissions de faible qualité ou à de très longues distances. De plus, leur trop grande sensibilité aux perturbations extérieures en fait des éléments dangereux. En effet, elles ne protègent pas, voir même, elles sensibilisent un peu plus, les signaux transmis. Le moindre bruit pouvant déformer l'enveloppe du signal modulé. Dés lors on utilise, plus généralement lorsque l'on souhaite transmettre des données numériques, des modulation angulaires. Précisons encore que dans le domaine des RLI, l'utilisation de modulations (angulaires ou d'amplitude) est extrêmement rare.

8.1.3.3. Les modulations angulaires L'autre méthode pour décaler le spectre du signal informatif est de modifier la phase ou la fréquence instantanée d'un signal porteur en fonction de l'amplitude du signal informatif. Les modulations angulaires sont très utilisées pour les signaux numériques car elles permettent une bonne transmission des fronts ainsi qu'une bonne immunité aux bruits (l'amplitude du signal transmis ne contenant pas d'information). Contrairement aux paragraphes précédents sur les modulations d'amplitude où nous avons étudié la transmission de signaux analogiques (donc par extension de signaux numériques), nous allons parler ici d'un domaine beaucoup plus réduit en n'abordant que le principe des modulations angulaires numériques. Il existe deux types de modulations angulaires, l'une joue sur la phase (PSK), l'autre sur la fréquence (FSK). La FSK La FSK (FREQUENCE SHIFT KEYING) ou modulation par saut de fréquence, associe à chaque niveau logique, une fréquence de la porteuse. Le principe de la modulation FSK consiste à utiliser deux sources de fréquence (f1 et f2) pour générer un signal qui soit la représentation en fréquence du signal numérique. On définit l'indice de modulation d'une FSK par :

. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Où R est la fréquence maximum du signal de données et f1 et f2, les fréquences de la porteuse pour respectivement un '0' logique et un '1' logique. On cherche généralement à produire des indices de modulation assez proche de 0,66 (occupation spectrale optimum). Or souvent le canal de transmission utilisé est assez étroit cela revient à dire que f1 et f2 sont imposés et souvent proches l'une de l'autre. On joue donc sur la fréquence supérieure du signal informatif pour obtenir l'indice souhaité. Précisons qu'il est déconseillé de réduire ou d'augmenter (quand c'est possible) la distance entre f2 et f1 pour des raisons liées à la capacité de discrimination entre ces 2 valeurs (lorsqu'elles sont trop proches) ou pour éviter une trop grande occupation spectrale (lorsqu'elles sont trop écartées).

Figure 74 : FSK avec un indice de modulation de 0,6

Figure 75 : FSK avec un indice de modulation de 0,66 à phase continue


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Figure 76 : FSK avec un indice de modulation de 0,8 Il faut là encore distinguer deux famille de FSK, d'une part les FSK à phase continue, c'est à dire sans saut de phase lors du passage de f1 à f2 (et inversement), ou les FSK à phase discontinue où des saut de phase peuvent avoir lieu. Comme présenté dans les exemples précédents, les FSK à phase continue ont un bien meilleur spectre (largeur réduite) que leurs équivalentes à phase discontinue. Bien entendu, les FSK à phase continue sont bien plus complexes à réaliser que les FSK à phase discontinue. La PSK La PSK (Phase Shift Keying) est une autre forme de modulation angulaire. Elle agit par saut de phase. Il existe là encore un grand nombre de PSK utilisant différentes techniques pour traduire le code numérique transmis. Certaines PSK standard code le '1' logique comme un signal avec une phase de 180° et le '0' comme un signal avec une phase nulle. Il s'agit ici de valeurs de phase absolues. D'autres PSK (les DPSK pour différentiel PSK) codent la phase relativement à la valeur précédente. Ainsi les '1' logiques et '0' logiques correspondent à des sauts de phase respectivement de +90° et de -90° par rapport à sa phase précédente du signal. Il existe aussi des PSK qui codent, en même temps, plusieurs bits. Par exemple avec deux bits, on va établir quatre déphasages en fonction de la valeur des deux bits. Par exemple le "00" correspond à un déphasage nul, le "01" comme un déphasage de 90°, etc. Attention, plus la PSK va coder un grand nombre de bit à la fois (et ainsi augmenter le débit de la liaison), plus il est difficile de discriminer entre deux phases, donc plus il est compliqué de réaliser le démodulateur.


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8.1.3.4. Rappels sur les modulations analogiques On va retrouver ci-dessous, après l'horloge, une autre forme de modulation, la PWM. Comme elle n'est pas utilisée dans les réseaux, je ne ferais aucun commentaire dessus.

Figure 77 : Rappel sur les modulations analogiques Dans ce chapitre, nous allons étudier toujours le cadre de la transmission des données, comment on prépare ces données en vue d’une transmission où l'on peut grâce à un codage approprié améliorer la qualité, la vitesse ou la quantité des données transmises.


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8.1.4. Le codage des informations Le codage des informations est utilisé dans les transmissions, aussi bien en bande de base qu'en bande décalée, pour éviter la transmission d'erreurs. Une erreur étant toujours inacceptable, il convient pour l’éviter, de fournir, en plus des données, un code qui permet, dans le pire des cas, de détecter les erreurs et dans le meilleur, de les corriger.

8.1.4.1. Le codage de la parité Le code le plus simple pour transférer une information est le codage de la parité. Cette méthode, la plus élémentaire, fut l'une des premières à être utilisée. Son principe est assez simple, il s'agit d'ajouter un bit supplémentaire aux données transmises. Dans le cas d'une parité paire, ce bit permet au message d'être composé d'un nombre toujours pair de bits à '1', et dans le cas d'une parité impaire, un nombre toujours impaire de bits à '1'. Ce codage est réalisé au moyen de la fonction OU EXCLUSIF pour la parité paire et NON OU EXCLUSIF pour la parité impaire. Au décodage, on va utiliser la même fonction logique que celle utilisée pour le codage pour valider le message. Par exemple avec la parité paire, on va réaliser une fonction OU EXCLUSIF entre les n bits du message et le bit de parité. Si le résultat vaut '0', le message est réputé vrai, si le résultat vaut '1' il est réputé faux. Il faut toutefois relativiser ce résultat, en effet un code de parité ne sait détecter qu'un nombre impair d'erreur. Il lui est impossible de détecter deux erreurs. On considère donc que les codes de parité simple ne savent détecter qu'une seule erreur. On peut aussi s'intéresser à la quantité de bits de contrôle transmis par message. Dans le cas d'un code de parité simple, on considère en général qu'il est dangereux de dépasser une proportion de 1/8 soit un bit de contrôle pour huit bits de données. Une évolution des codes de parité consiste à introduire une redondance des codages. Ainsi, on peut envisager, toujours en utilisant un contrôle de parité, de retrouver le bit erroné. Envisageons d'envoyer un message de 5 mots de 5 bits, on peut alors coder de la façon suivante le message. Coté émission, à l'extrémité de chaque ligne, on place un bit de parité paire et on fait la même chose avec les colonnes. On nomme parité transverse les bits de parités créés pour chaque colonne et parité longitudinale ceux créés pour chaque ligne. Les signaux émis sont : 100111 110000 101000 010111 100010 001010 Les signaux reçus sont : 100111 110000 101100 010111 100010 001010 Figure 78: Codage de la parité Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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A la réception, on récupère le message qui a été transmis et on lui applique encore une fois un contrôle de parité longitudinal et transverse. Si une erreur s'est glissée dans le code, immanquablement une parité longitudinale et une parité transverse sont à '1'. Cela signifie qu'il y a eut une erreur dans la transmission. Dans notre exemple, en vérifiant les valeurs de contrôle, on constate qu'il y a 2 codes de contrôle non valable, l'un sur une ligne, l'autre sur une colonne. Donc on connaît rigoureusement l'emplacement de l'erreur. Ce code permet donc de corriger l’erreur puisqu’elle est placée à l’intersection des 2 lignes et colonnes fautives. Toutefois, si à la réception, il y a deux ou trois erreurs, il y aura toujours systématiquement au moins un bit de parité transverse ou longitudinale à '1'. On peut donc détecter jusqu'à trois erreurs. Par contre, on ne peut corriger qu'une seule erreur. La proportion des bits de contrôle par rapport aux bits de données, au moment de la transmission, passe (dans notre exemple) de 1/5 (0,2) pour une parité simple à 11/25 (0,44) pour les parités composées.

8.1.4.2. Les codages redondants Les codages redondants augmentent le nombre de bits du message pour permettre de détecter d'éventuelles erreurs et éventuellement de les corriger. Le code le plus connu est celui de HAMMING, bien que pratiquement abandonné, il fut le codes des premières transmissions numériques. Exemple : Imaginons que l'on cherche à transmettre un mot de 4 bits. Le code de HAMMING nous dit que pour n bits d'information, il faut k bits de contrôle pour corriger une erreur. On peut exprimer k en fonction de n grâce à la formule suivante : 2k ≥

n+ k+ 1

Par itération, on peut résoudre cette équation. Pour n = 4, on a k = 3.

Erreur sur le bit

e3

e2

e1

Aucun

0

0

0

Cela veut dire que l'on va transmettre 7 bits (m = k + n). Il faut maintenant coder les k bits en vue de la transmission.

1er bit (m1)

0

0

1

2ème bit (m2)

0

1

0

3ème bit (m3)

0

1

1

4ème bit (m4)

1

0

0

5ème bit (m5)

1

0

1

6ème bit (m6)

1

1

0

7ème bit (m7)

1

1

1

Pour cela on va coder dans un tableau toutes les possibilités d'erreur dans le message. Il y a pour un message de m bits, m+1 possibilité d'erreur. Ce tableau est composé de k (=3) colonnes. D'où la formule précédente (m + 1 = n + k + 1 et 2k représente le nombre de ligne identifiable avec k colonnes).

On sort maintenant les équations de e1, e2 et e3, et on trouve : Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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e1 = m1 ⊕ m3 ⊕ m5 ⊕ m7 e2 = m2 ⊕ m3 ⊕ m6 ⊕ m7 e=m⊕ m⊕ m⊕ m Le signe ⊕ signifie une addition modulo 2 ce qui peut se traduire par 1 ⊕ 1 = 0. ⊕ est l’opérateur Ou Exclusif. Si l’on regarde bien, on se rend compte que les termes m1, m2 et m4 n’apparaissent qu’une seule fois dans les équations. On peut donc en faire (pour simplifier les équations) les bits de codage de Hamming. Le message transmis étant alors composé de la façon suivante : m7

m6

m5

m4

m3

m2

m1

n4

n3

n2

k3

n1

k2

k1

Pour terminer la réalisation de notre codage, il reste à remplir le tableau, c’est à dire trouver les valeurs de k1, k2 et k3 qui rendent e1, e2 et e3 nuls. En effet, le message n’étant pas encore émis, il n’est pas sensé contenir d’erreur. Pour trouver la valeur de m1, m2 et m4, il suffit d’écrire : k1 = m1 = e1 ⊕ m3 ⊕ m5 ⊕ m7 k2 = m2 = e2 ⊕ m3 ⊕ m6 ⊕ m7 k3 = m4 = e3 ⊕ m5 ⊕ m6 ⊕ m7 Comme e1, e2 et e3 sont nuls, on trouve : k1 = m 3 ⊕ m 5 ⊕ m 7 k2 = m 3 ⊕ m 6 ⊕ m 7 k3 = m 5 ⊕ m 6 ⊕ m 7


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Ce qui donne le tableau suivant : m7

m6

m5

m4

m3

m2

m1

n4

n3

n2

k3

n1

k2

k1

n=

k=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

3

0

0

1

1

0

0

1

2

5

0

0

1

1

1

1

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3

6

0

1

0

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1

0

4

6

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1

0

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0

1

5

5

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1

1

0

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1

1

6

3

0

1

1

0

1

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0

7

0

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1

8

7

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0

1

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0

0

9

4

1

0

1

0

0

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0

10

2

1

0

1

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1

0

1

11

1

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0

0

0

0

1

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1

1

1

0

0

1

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0

13

2

1

1

1

1

0

0

0

14

4

1

1

1

1

1

1

1

15

7

A la réception, il suffit de calculer les valeurs de e1, e2 et e3 pour définir s’il y a eut une erreur et où elle se situe. On est alors capable de transmettre un message en détectant les erreurs et en les corrigeant. Ainsi, si le message à envoyer est 1100, on a k3 = 0, k2 = 0 et k1 = 1 donc le message transmis est 1100001. Mais si en route, une erreur apparaît sur le 3ème bit, le message reçu devient 1100101, en utilisant le décodeur de Hamming, on trouve : e1 = m1 ⊕ m3 ⊕ m5 ⊕ m7 = 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1 = 1 e2 = m2 ⊕ m3 ⊕ m6 ⊕ m7 = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 1 e3 = m4 ⊕ m5 ⊕ m6 ⊕ m7 = 0 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 1 = 0 On trouve alors

e3

e2

e1

décimal

0

1

1

3


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On sait donc où l’erreur se situe car e1, e2 et e3 indiquent une erreur sur le 3ème bit. On peut donc corriger le code reçu et écrire que le code sans erreur est 1100001 donc que le message est 1100. Avec ce code de Hamming, on sait donc corriger une erreur sur un bit mais on est capable, sans les corriger, de détecter jusqu'à trois erreurs. Quand à la proportion des bits de contrôle, on constate que plus n est grand, plus k augmente, mais pas de façon linéaire. Par exemple, si pour détecter 3 erreurs, il y a besoin de 3 bits de contrôle pour 4 bits de données, avec 112 bits de données, il suffit d'utiliser 7 bits de contrôle. Attention, rappelons que la probabilité d'erreur s'accroît linéairement avec le nombre de bits transmis. Pour une transmission de 119 bits, le risque d'erreur est donc 17 fois plus grand que pour une transmission de 7 bits. Aussi, pour une telle quantité de données, il serait raisonnable d'utiliser un code de Hamming plus puissant, c'est à dire capable de détecter plus d'erreur.

8.1.4.3. Les codes CRC Les codes CRC ou CYCLICAL REDUNDANCY CHECK (contrôle par redondance cyclique) sont basés sur une série d'opérations arithmétiques. Tout commence par l'élaboration de la forme polynomiale du message binaire. Par exemple, 110100, c'est à dire 1 ⋅ 25 + 1 ⋅ 24 + 0 ⋅ 23 + 1 ⋅ 22 + 0 ⋅ 21 + 0 ⋅ 20 s'écrit sous forme polynomiale x5 + x4 + x2. On nomme ce polynôme P(x). Puis on applique la formule suivante :

Où G(x) est un polynôme, défini par le protocole du réseau, connu de l'émetteur et du récepteur et de degré v. Q(x) est le quotient de la division de P(x).xv par G(x) et donc R(x) est le reste de la division. Puisque G(x) est de degré v, R(x) est forcément d'un degré inférieur ou égal à v. C'est ce reste R(x) qui va être transmis en plus de P(x) au récepteur. A l'arrivée, on connaît donc R(x) (le reste transmis avec le message), v (qui est obtenu par analyse de G(x)), G(x) (connu par définition) et P(x) (le message transmis). On va alors refaire le même calcul que celui réalisé par l'émetteur et comparer les restes des deux divisions. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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S’il y a une différence entre les deux restes, on est sûr alors qu'une erreur s'est glissée dans la transmission. G(x) est défini par la norme de transmission utilisée. L'avis V41 de la norme CCITT (Comité Consultatif International pour le Télégraphe et le Téléphone) définit G(x) comme : G(x) = x16 + x12 + x5 + 1 Pour le réseau CAN, le code G(x) vaut x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1 Et c'est là que l'on constate l'efficacité du code CRC, puisque dans le cas du bus CAN, il permet de repérer les erreurs suivantes : Toutes les salves d'erreurs comportant un nombre impair de termes Toutes les salves d'erreurs comportant moins de 17 bits. 99,998% des salves d'erreurs de plus de 16 bits. C'est ce qui fait que le codage CRC est très utilisé pour les supports peu fiables, mais aussi dans la majeure partie des réseaux. Du point de vue des proportions entre le nombre de bits de données et le nombre de bits de contrôle, on constate que, par exemple, le réseau Ethernet utilise un code CRC de 32 bits qui lui permet d'assurer la sécurité de sa trame de donnée qui peut contenir jusqu'à 1526 octets, soit un rapport de 4/1526 (0,0026). Plus généralement, les codes CRC sur 64 bits sont utilisés par les logiciels de compression de données (ZIP ou RAR) pour valider des fichiers pouvant atteindre plusieurs dizaine de Méga octets. Il faut toutefois se rendre compte que les codes CRC que nous vous avons présentés ne permettent pas de corriger les erreurs, de même, ils n'assurent aucune confidentialité aux communications malgré leur grande similarité avec les codes de cryptage, militaires ou civil. Il existe tout de même des codes CRC correcteurs d'erreurs, mais nous ne les étudieront pas.

8.1.5. Correction d'erreurs de transmission. Dans le monde des réseaux, les codes ne sont là que pour détecter les erreurs de transmission, même si ils sont capables de les corriger. La capacité de transfert des réseaux moderne, et la sensibilité des données, sont telles que l'on préfère retransmettre un paquet si il est susceptible de contenir des erreurs plutôt que d'en commettre de nouvelles par des corrections hasardeuses.


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8.1.6. Le Multiplexage Depuis toujours, l'objectif des transmissions est de transmettre plus de données dans un minimum d'espace. Actuellement, avec la multiplication des réseaux hertziens, avec l'essor de la téléphonie, le manque de place est cruel. Or le monde des transmissions est régit par une loi intangible : Pour transmettre plusieurs signaux sur un même canal, il faut être capable de tous les extraire. Cela imposait donc de décaler soit dans le temps, soit en fréquence les signaux à transmettre. Cette technique appelée multiplexage, se conjugue donc selon 2 axes : d'un coté l'axe temporel, de l'autre, l'axe fréquentiel. Dans les 2 cas, cela revient à découper la bande autorisée en petits intervalles qui seront autant de voies de communication.

8.1.6.1. Le multiplexage fréquentiel Le multiplexage fréquentiel, c'est réaliser un découpage de la bande de fréquence dont on dispose en intervalles de la taille de la voie de communication. Cette technique fut très utilisée en télécommunication, à l'époque où les systèmes numériques n'étaient pas aussi performants qu'aujourd'hui. La voix humaine telle que les télécoms l'imaginent, est un signal occupant une bande de 300 à 3400Hz (vision un peu restrictive puisqu'en général, on juge que la parole occupe une bande de 20Hz à 20KHz). Grâce à cette restriction de la bande de fréquence, et au multiplexage fréquentiel, on peut placer environ 1800 communications simultanées sur une même ligne.

Figure 79: Exemple de multiplexage fréquentiel à 12 voies Néanmoins, on ne peut réaliser directement le multiplexage de 1800 voies, on doit procéder par étapes. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Tout d'abord, on part du poste téléphonique vers le boîtier d'interconnexion téléphonique de l'immeuble (ou de la rue, c'est selon), jusque là, votre ligne est personnelle, vous êtes le seul à l'utiliser (c'est d'ailleurs cette ligne que l'on peut vous rater). Arrivée au premier poste d'interconnexion, votre ligne est multiplexée avec de 12 voies. Cette ligne à 12 voies va vers le poste central où elle sera encore multiplexée avec d'autres voies de même gabarit pour créer sur une ligne un canal de 144 voies. Ce canal est alors assemblé à d'autre de même taille pour former une ligne de 1728 voies. Précisons toutefois que comme vous n'êtes pas dépositaire d'une fréquence fixée, et donc que vous utilisez la première fréquence disponible au niveau du central immeuble, il y a en systématiquement, en plus des voies de communication, des voies de codage qui sont ajoutées, et ainsi permettent d'acheminer toutes les conversations vers leurs destinataires respectifs. On représente en général, les opérations de multiplexage de la façon suivante :

Figure 80: Représentation des opérations de multiplexage Celles de vos voisins qui sont en train de communiquer, et expédiée sur une ligne composée


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8.1.6.2. Le multiplexage temporel Cette méthode de multiplexage fut créée avec l'avancée des technologies numériques. Moins coûteuse que le multiplexage fréquentiel qui nécessite une pléthore de porteuses accordées très finement, et des modulations BLU (donc plutôt complexe à réaliser), le multiplexage numérique n'utilise qu'une seule horloge, couplée avec des composants numériques à haute fréquence. C'est donc avec l'intégration des composants numériques que l'on a su réaliser des centraux numériques à haut débit, ouvrant ainsi la voie au multiplexage temporel (rappelons que c'est en 1996, que l'intégralité du système de communication, de FRANCE TELECOM, est passé au numérique). Le principe du multiplexage temporel, c'est découper la parole ou les données en petits éléments simples (des échantillons), qui seront numérisés pour former des données numériques (paquets) elles mêmes transmises dans un bref intervalle de temps (time slot). On y accolera alors les bits issus d'un paquet émis par une autre source. L'ensemble de ces paquets formant une trame. Lors de la trame suivante, on place dans l'espace qui nous est imparti le paquet suivant. On a donc une liaison discontinue avec notre interlocuteur. Mais si l'émission de ces petits morceaux de parole, se fait à une cadence très élevée, cela permet de rendre ce phénomène inaudible (c'est le principe de l'échantillonnage).

Figure 81: Multiplexage temporel


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Il faut remarquer que de nos jours une troisième forme de multiplexage est apparue, il s'agit de la technologie employée pour les systèmes UMTS, on la nomme multiplexage de puissance. Dans l'illustration précédente, un axe n'est pas exploité (l'axe P pour puissance), c'est selon cet axe que se réalise ce multiplexage. Le concept de cette modulation totalement numérique est de mélanger aux informations à transmettre un code pseudo-aléatoire à très haute fréquence, puis à la réception d’utiliser des systèmes de corrélation pour extraire les informations. Par cette technique, on arrive à extraire, parmi plusieurs autres signaux, transmis en même temps, et à la même fréquence, un signal par la seule connaissance de son code pseudo-aléatoire. Cette technique est aussi utilisée (mais cette fois ci à des fins de protection) dans le concept du GPS.

8.1.7. Le vocabulaire des transmissions Ce paragraphe est un petit lexique de certains termes dont l'usage est courant dans les transmissions. FULL DUPLEX : Méthode de transmission permettant à 2 machines de se parler en même temps (pas forcément sur la même ligne). HALF DUPLEX : Méthode de transmission permettant à 2 machines de se parler sur une même ligne, mais pas en même temps. SIMPLEX : Méthode de transmission imposant sur une ligne une machine qui parle et une seule, sans possibilité pour qu’une autre machine ne parle. MODEM : (Modulateur Démodulateur), outil permettant de dialoguer sur une ligne téléphonique et répondant aux formats standards des normes de communication téléphonique. UART : (Transmetteur Récepteur Asynchrone Universel) composant électronique permettant de recevoir et de transmettre les données sur une liaison série en gérant le contrôle de parité. BAUD : Unité de transmission représentant le nombre d’événement transmis en une seconde. Il s’oppose aux bits par seconde par le fait qu’une mesure en bits par seconde ne peut s’appliquer qu’aux signaux binaires. Dans le cas d’une transmission d’un signal à 2 états, un baud est égal à un bit par seconde. INTERCONNEXION : Il existe plusieurs types de connexions, permettant une certaine diversité de câblage, rendant plus simple l’adaptation du réseau à la topologie du lieu. On en distinguera deux : la connexion « point à point » et la connexion répartie. La connexion « point à point » consiste à établir des liaisons entre uniquement deux machines et la Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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connexion multipoints (ou répartie) à n’utiliser qu’une seule ligne pour relier toutes les machines.

Figure 82: Connexion point à point et interconnexion répartie LE TEMPS REEL : Cette notion est un élément important dans les réseaux locaux. La notion de temps réel, c’est en fait la capacité qu’à un système pour répondre en un temps donné. Prenons l’exemple d’un banc de perçage automatique, on dispose en général d’un capteur permettant de détecter une rupture du foret. En cas de rupture, il convient de réagir relativement vite, soit en détournant les pièces sur d’autres unités de perçage, soit en stoppant la chaîne pour permettre un remplacement de la pièce défectueuse. Il faut donc que l’information arrive à l’ordinateur central avant qu’une nouvelle pièce se présente. Donc l’ordre répondant à une rupture du foret doit être traité en un temps limite. Ce temps limite est à la base de la notion de temps réel. RESEAU DETERMINISTE : On dit qu’un réseau est déterministe lorsqu’il n’y a pas de hasard dans la méthode d’accès (l’ordre de parole des machines est déterminé). On l’oppose en général aux réseaux d’accès aléatoire. NŒUDS : Point de connexion d’une machine avec le réseau. Ce terme exprime le nombre d’éléments reliés à un réseau. Attention, entre 2 nœuds, on peut placer un répéteur, celuici ne sera pas comptabilisé puisqu’il n’est pas actif vis-à-vis du transfert d’information. WATCHDOG : Dispositif totalement indépendant et généralement implanté directement dans le silicium des composants électroniques, il permet de redémarrer automatiquement la machine en cas de défaillance de ses ou son logiciel. BIG ENDIAN : Le bit de poids fort est transmis en premier, le bit de poids faible à la fin. SMALL ENDIAN : Inverse de BIG ENDIAN, cela consiste à transmettre le poids faible d’abord et le poids fort à la fin.


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8.2. LES PREMIERS RESEAUX INFORMATIQUES 8.2.1. La norme RS232 Le RS232 est une façon de faire communiquer deux machines entre elles, mais en aucun cas le terme réseau ne peut lui être appliqué. Ceci est une pure vérité, mais, comme il faut bien commencer quelque part, commençons donc par ce système puisque je suis sûr que vous en avez entendu parlé (peut être sous le nom de liaison série). La norme RS232 permet de connecter entre elles 2 et seulement 2 machines. Entre ces machines va circuler, via une liaison série à 3 ou à 9 fils, l’information à transmettre. Les signaux présents sur ces fils, auxquels il convient d’ajouter la masse sont :

Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DCD RD TD DTR DSR RTS CTS RI

Signal Data Carrier Detect (détection de porteuse) Received Data (réception) Transmitted Data (transmission) Data Terminal Ready (terminal prêt) Signal Ground Data Set Ready (données prêtes) Request To Send (demande d’émission) Clear To Send (prêt à émettre) Ring Indicator (détection de sonnerie)

Entrée Entrée Sortie Sortie Entrée Sortie Entrée Entrée

Figure 83: La norme RS232


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8.2.1.1. Présentation. La norme RS 232 est un protocole de transmission série qui permet des transmissions full duplex, half duplex ou même simplex. Les signaux transmis sont codés en ±12V avec le "1" logique équivalent à un niveau -12V. La communication est régie par des paramètres matériels qui doivent être identiques sur les deux machines en communication : Le débit : Il peut être choisi, selon les versions de la norme entre 75 bauds et plusieurs centaines de kilo bauds (valeur typique 9600 bauds), Le nombre de bits de données : il peut varier de 4 à 8 bits, Le nombre de bits d'arrêts : Il peut être 1, 1,5 ou 2. Le type de contrôle de la parité. Il peut être choisi parmi les possibilités : - pas de contrôle de parité; - parité paire (le message contient un nombre pair de '1'); - parité impaire (le message contient un nombre impair de '1'). En outre, une fois les paramètres matériels définis à l'identique sur les deux machines, pour quelles communiquent, on doit choisir un mode de transmission, c'est à dire définir le processus de contrôle de flux utilisé pour la liaison série.

8.2.1.2. Contrôle de flux La notion de contrôle de flux doit être comprise comme un moyen mis en oeuvre pour faire en sorte qu'entre deux machines connectées à une liaison série avec un débit fixe et des vitesses de traitement différentes selon les machines, on s'aligne sur la capacité de traitement la plus lente. Même si de nos jours, la capacité de traitement des ordinateurs modernes rend ridicule le temps de traitement de l'information par rapport à la durée d'un bit, il existe toujours des cas où ce contrôle est indispensable. Il existe trois possibilités pour le contrôle de flux : Le contrôle de flux logiciel. Le contrôle de flux matériel. Pas de contrôle de flux.


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Le contrôle de flux matériel Le contrôle de flux matériel, consiste à utiliser des signaux supplémentaires pour "rythmer" les échanges, c'est à dire que les machines en communication vont transmettre des données de contrôle sur des voies supplémentaires. Il existe plusieurs méthodes de contrôle de flux matériel utilisant plus ou moins de signaux. Le cas général (celui décrit par la norme RS232) utilise sept signaux nommés CTS (Clear to Send), RTS (Request to Send), DTR (Data Set Ready), TD (Transmit Data), RD (Received Data), DCD (Data Carrier Detected) auxquels on ajoute une masse. Dans le câblage, on associe ces signes par paire : DTR avec DSR (et DCD), RTS avec CTS et TD avec RD. On a alors besoin d’une liaison à 7fils. Figure 84 : Liaison série à 7 fils Parmi les autres possibilités, de câblage, il existe des liaisons à 5 fils (contrôle de flux partiel) et à 3 fils (sans contrôle de flux matériel).

Figure 85 : Liaison série à 5 fils Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 86 : Liaison série à 3 fils Le contrôle de flux logiciel On peut aussi utiliser un protocole logiciel pour contrôler le flux des échanges. Cette foisci, la connexion n'a plus besoin des signaux RTS, CTS, DTR, DSR et DCD, on peut donc se limiter à une liaison 3 fils. C’est au niveau logiciel que les machines vont contrôler leurs échanges de données. Le protocole (puisqu'il s'agit là d'un protocole) se nomme Xon/Xoff. Il est limité aux échanges en ASCII. Il est impossible d'utiliser ce protocole pour envoyer des informations binaires. De plus ce protocole nécessite une liaison FULL DUPLEX. Les codes ASCII utilisés pour contrôler les échanges sont Xon, qui est le code ASCII 17 (0x11) ou CTRL Q et Xoff qui est le code ASCII 19 (0x13) ou CTRL S. Le principe de fonctionnement de ce contrôle de flux repose sur un concept d'automatique simple. Du point de vue de la machine réceptrice qui, à l'origine, est naturellement prête à recevoir des données; chaque octet reçu est stocké dans un tampon de réception. Lorsque ce tampon de réception atteint un certain pourcentage d'occupation (en général 80%), la machine réceptrice envoie le caractère Xoff à l’émetteur. Elle va alors traiter les données reçues pour vider le tampon de réception.


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Figure 87 : Concept du contrôle de flux logiciel pour le récepteur Une fois atteint un second seuil (50% en général), elle envoie alors à metteur le caractère Xon pour que le transfert de données puisse reprendre. Du coté émetteur, la réception du Xoff bloque l'émission jusqu'à la réception d'un Xon.


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Figure 88 : Concept du contrôle de flux logiciel pour l'émetteur Application Ainsi une transmission de 7 bits de données avec un contrôle de parité paire et 2 bits de stop à 9600 bauds représente une transmission de 11 bits au total dont 7 utiles. Soit (9600*7) / 11 = 6110 bits utiles /s. Une fois ces points définis, on peut transmettre les données en utilisant un UART. La forme des trames est alors la suivante :

Figure 89: Application de contrôle de flux logiciel Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le réception des données est réalisée par l’horloge interne d’un UART, multiple de la fréquence de transmission (horloge interne = N* horloge transmission) pour lui permettre de se synchroniser avec le signal transmis. Un front descendant du signal permet de définir le début du bit de start (qui vaut ‘0’ alors que la ligne inoccupée ou le stop est à ‘1’), on a alors un comptage des fronts de l’horloge interne. Comme on a défini le débit de la transmission, le récepteur sait combien de fronts de l’horloge interne (N) représentent un bit transmis, à N/2, l’UART sait la donnée présente sur la ligne. On fait de même avec les autres bits de la transmission à 3N/2, 5N/2, etc… Alors on reconstitue le message sans qu’il soit nécessaire de transmettre l’horloge. Toutefois, ceci n’est valable que pour des messages de faible longueur faute de quoi, la désynchronisation des horloges risque de poser des problèmes qui peuvent engendrer une perte de données. Il suffit, pour éviter ces dysfonctionnements de resynchroniser l’horloge de réception à chaque front montant et (ou) à chaque front descendant du signal de données. La norme RS232 est désormais réservée à une utilisation basique. Certaines évolutions (RS422, RS423 et RS485) de la norme permettent des débits bien supérieurs entre de multiples machines. Toutefois, elles ne sont pas « de série » sur les ordinateurs modernes, ce qui est un handicape sévère à leur développement.

8.2.2. Le bus IEEE 488 Le bus IEEE 488 est le premier bus d'instrumentation qui a connu une normalisation, né du bus HPIB (HEWLETT PACKARD INSTRUMENTATION BUS), ce bus est exclusivement dédié à l'automatisation de chaînes de mesures. Il permet de transférer des données, de manière bidirectionnelle, sur un bus de 8 bits grâce à un protocole de dialogue HALF DUPLEX asynchrone. La connexion des machines entre elles est réalisée au moyen d'un câble de 16 fils qui se branche par une liaison répartie sur le connecteur IEEE. Le bus est obligatoirement géré par un contrôleur (souvent l’unité de traitement des données). Sur ce bus, toutes les machines (dont le contrôleur) peuvent être alternativement TALKER (émetteur) ou LISTENER (récepteur). Il ne doit y avoir plus d’un émetteur à la fois, mais il peut y avoir plusieurs récepteurs. On peut connecter jusqu’à 15 machines (dont le contrôleur) et atteindre des débits de 1Moctets par seconde sur une longueur totale de la ligne ne dépassant pas 15 m (soit 1 m entre chaque machine). Aucun segment entre deux machines ne doit être plus grand que 2 m. Les signaux qui transitent sur les lignes sont de 3 types (les nombres entre parenthèse représentent le numéro de broche sur le connecteur IEC) : Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les signaux de données de D0 (1) à D4 (4) et de D5 (14) à D8 (17), Les signaux de contrôle REN (5), IFC (10), ATN (12), SRQ (11) et EOI (6), Les signaux de contrôle du flux DAV (7), NRFD (8), NDAC (9), Tous les autres fils sont reliés à la masse.

Figure 90 : Connecteur IEEE 488 (modèle IEC)

8.2.2.1. Études des signaux de contrôle des machines Le signal REN (Remote ENable) REN permet une prise en main d'une machine par le bus. Dans le cas où le signal REN est à "0", les instruments (de mesure ou de visualisation) sont accessibles par leurs faces avant. Si REN est à 1, les instruments sont pilotés par le bus et leur face avant est désactivée. On peut alors les commander par envoi de données. Le format des messages est alors un code ASCII, tel que le constructeur de la machine l’a définit. Le signal IFC (InterFace Clear) IFC permet au contrôleur du bus d'initialiser toutes les machines reliées à lui. Lorsque IFC est à 1, toutes les machines s'arrêtent. On libère la ligne et ainsi les signaux de contrôle des données restent libre et permettent au contrôleur d'initialiser les machines. Le signal SRQ (Service ReQuest) Ce signal (optionnel) est utilisé par les machines (certaines seulement) pour prévenir le contrôleur de la nécessité de donner de nouveaux ordres. Cette ligne est commune à toutes les machines donc le contrôleur se doit de décoder, suite au passage à 1 de SRQ, l'adresse de la machine demandeuse.


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Le signal EOI (End Or Identify). Le signal EOI permet au contrôleur de définir la machine qui lui demande de l'aide grâce à SRQ (identification). Ces signaux sont transmis avec une masse pour améliorer l'immunité aux bruits. Les masses sont placées sur les broches 13 et de 18 à 25. Le signal ATN (ATtentioN). ATN permet au contrôleur du bus de prendre la parole. Lorsque ATN est à 1, le contrôleur devient aussi l'émetteur d'ordres de fonctionnement. C'est-à-dire qu’il ne fournit plus des données mais des commandes. Quand ATN est à 0, le contrôleur est une machine comme les autres, émettrice ou réceptrice selon la programmation et les signaux sur le bus sont alors des données.

8.2.2.2. Étude du HAND-SHAKE (contrôle du flux) L'utilisation d'un protocole asynchrone impose un ensemble de signaux de commande. Les signaux utilisés sont : Le signal DAV (DAta Valid) DAV permet à l'émetteur de signaler au(x) récepteur(s) que les données présentées sur le bus sont valables et peuvent être saisies. Le signal NRFD (Not Ready For Data) NRFD permet à un récepteur de signaler à l’émetteur qu’il ne peut saisir une donnée qu’il pourrait présenter sur le bus. Le signal NDAC (No Data ACepted) NDAC permet à un récepteur de signaler à l'émetteur qu'il n'a pas encore saisi les données présentées sur le bus.


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Chronogramme d'une transmission

Figure 91: Chronogramme d'une transmission Avant T0, le récepteur signale qu'il n'est pas en mesure de recevoir des données. A T0, le récepteur signale qu'il est prêt à recevoir. A T1, les données sont présentes depuis un temps Ta sur la ligne. L'émetteur signale alors au(x) récepteur(s) que les données sont valables. De T2 à T3, le récepteur réalise l'acquisition des données. A T3, les données ont été saisies et le récepteur le signale à l'émetteur. A T4, l'émetteur annonce que les données ne sont plus valables (bien qu'elles restent encore valides pendant un temps Tb). A T5, le cycle peut recommencer.


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8.3. L’ORGANISATION DES RESEAUX Comme vous pouvez le constater, les réseaux sont des éléments complexes, faisant appel à une technique importante, souvenons nous qu’il n’y a pas 2 réseaux identiques, on en trouve donc une quantité impressionnante, avec chacun un domaine de prédilection, d’où la définition de plusieurs niveaux de spécification sous forme d’une pyramide nommé CNIM. Cette jolie représentation est en train de voler en éclat du fait de l'utilisation de plus en plus répandue d'Internet. Un grand nombre d'industriels ayant réduit à cet égard, de façon drastique, la diversité de leur offre réseau. De plus en plus, le lot commun est devenu Ethernet + TCP/IP, la pyramide se limitant alors à 2 couches. Une couche supérieure (Ethernet +TCP/IP) puis au dessous des réseaux de capteurs.

Figure 92 : Pyramide CNIM Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Toutefois, dans un effort collectif de normalisation, on a définit la norme OSI (OPEN SYSTEM INTERCONNECTION). Cette norme, basée sur un découpage fonctionnel des éléments d'un réseau, définit 7 couches caractérisant chacune un réseau de programmation ou de câblage.

8.3.1. La norme OSI Commencé en 1977 et acceptée en 1978, la norme OSI définit 7 niveaux de spécification présentés chacun comme une couche superposée à la précédente.

8.3.1.1. Les 7 couches de la norme OSI On utilise généralement des analogies épistolaires pour présenter cette notion de couches, aussi sacrifions à la tradition et imaginons donc, qu'on souhaite envoyer une lettre d'embauche. Presque à son insu, autour de l'information à transmettre, on définit un ensemble de paramètres qui permette un acheminement des données, de nous, vers un responsable. Procédons par étape. On rédige la lettre (application), On place un entête pour que le destinataire nous reconnaisse (présentation), Une fois la lettre rédigée, on la glisse dans une enveloppe (physique). Puis on indique sur le recto l'adresse du destinataire (transport). On timbre (session). On dépose l'enveloppe dans une boite à lettres (réseau), Elle est transmise de façon transparente à son destinataire (liaison). Voilà en 7 lignes, j’ai définit le principe de tous les réseaux, on part d’une application (ce que l’on souhaite transmettre), on rajoute une présentation, etc…. et à la fin, le message est transmis. On comprend donc qu’il a fallu greffer, autour du texte, un ensemble d’éléments qui pour nous représentent peu d’information, mais qui permettent au courrier d’atteindre sa cible. On a donc déposé des couches successives d’information. D’où l’idée d’une définition de ces ajouts sous forme de couches.


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Mais la notion de couche cache un double sens : Une couche assure une base stable, elle permet une communication correcte entre le niveau inférieur et le niveau supérieur (un peu comme les briques dans un mur, où il faut pouvoir s’appuyer sur les briques déjà posées). On trouve alors comme règle de dialogue, la possibilité de communiquer avec les niveaux adjacents (dialogue vertical). On nomme cette fonction le service. L’autre notion est liée à l’utilisation de la couche, c'est-à-dire la cohérence avec la couche de même niveau de la machine avec laquelle on communique. Pour reprendre nos analogies maçonnes, c’est la cohérence entre 2 briques côte à côte sur une même rangée. Si l’une est plus grande que l’autre, on risque des surprises. On trouve alors comme règle de dialogue la possibilité de communiquer avec une couche de même niveau (dialogue horizontal). On nomme cette fonction le protocole. La couche Physique (couche 1) La couche physique représente le plus bas niveau de spécification, elle définit les spécifications électriques et mécaniques d'un réseau. On définit ainsi le type de connexion (full duplex, half duplex ou simplex), le type de liaison (série ou parallèle), le média (liaison hertzienne, câble coaxial, paire torsadée, etc.). La couche de liaison (couche 2) La couche de liaison permet de gérer l’accès à la ligne et le transfert d’information entre 2 machines adjacentes. Elle gère les processus de connexion et de déconnexion, elle détecte les erreurs, gère l’adressage et défini le formalisme de la trame pour l’adapter au support physique. On y trouve 2 sous-couches très importantes la sous-couche MAC (Médium Access Control) qui permet de gérer l’accès au réseau, gérer les conflits ou les éviter et la sous-couche LLC (Logic Link Control) qui s’occupe du service avec les couches supérieures. La couche réseau (couche 3) La couche de réseau permet de réaliser le routage de l’information d’un réseau vers un autre ou même au travers d’un ensemble de réseau. La couche de transport (couche 4) La couche de transport est utilisée pour contrôler le flux des données dans un réseau. Elle gère le contrôle des erreurs de transmission et la fiabilité de la liaison.


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La couche de session (couche 5) La couche de session a pour fonction de mettre en relation les services disponibles dans les 2 machines, en permettant ainsi de rendre transparent les couches inférieures du réseau. La couche de présentation (couche 6) La couche de présentation gère la présentation des données de façon syntaxique (grammaticale). Elle permet entre autre le codage et le décodage de l’information (confidentialité ou compression). Son rôle est en fait de rendre compatibles des machines hétérogènes (par exemple, dialogue entre un MAC et un PC). La couche d’application (couche 7) La couche d’application est la couche supérieure du réseau. Elle englobe l’intégralité des applications que va utiliser le réseau. C’est en général cette couche que l’utilisateur aura comme interface. On distingue 2 types d’applications : les applications en mode connectées (où la connexion doit être maintenue) et les applications en mode non connectées (où la connexion est intermittente, comme par exemple INTERNET ou le courrier électronique). On utilise souvent les couches 1,2 et3 le surnom de couches basses (utilisant l’informatique industrielle) par opposition aux autres nommées couches hautes.

Figure 93 : Représentation de l’organisation d’un réseau (OSI) Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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La définition des couches OSI d’un réseau au sens global, nous amène à étudier l’influence de ces couches dans nos applications. Par exemple, l’utilisation du bus IEEE 488 sous entend que les couches 1,2 et 7 sont utilisées. Ce qui veut dire que les couches 3, 4, 5 et 6 sont inexistantes. Ce point est extrêmement important puisqu’il permet de dire que si la « modélisation » OSI permet de définir tous les réseaux, en aucun cas, les réseaux ne sont contraints d’utiliser l’ensemble des 7 couches du modèle OSI.

8.3.1.2. L'encapsulation des données Le phénomène de couches n’est pas seulement théorique, il a une représentation au niveau physique, on appelle ce phénomène l’encapsulation. L’encapsulation c’est l’ajout, couche par couche, de données en plus de celles fournies par la couche supérieure pour autoriser un décodage correct de l’information.

Figure 94 : Représentation de l’encapsulation des données


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8.3.2. Trames et paquets Les termes de trames et de paquets représentent des éléments très importants dans les transmissions. Reprenons l'exemple du courrier, on a vu que sur le texte à transmettre, on a ajouté des paramètres supplémentaires tels que l'adresse du destinataire, l'adresse de l'expéditeur, etc. Dans la réalité électronique des réseaux, on retrouve à peu près la même chose, si le texte représente n bits, il faut y adjoindre des termes supplémentaires pour que la transmission s'effectue.

8.3.2.1. Principe de la trame élémentaire Une trame représente la plus petite unité compréhensible par un réseau, c'est à dire le minimum de bits pour que le message puisse être transmis. Analysons donc comment sont fabriquées les trames dans les réseaux. Si on se base toujours sur notre exemple, on se rend compte que notre message peut se résumer à : Adresse du destinataire

Adresse de l’émetteur

Texte du messag

Malheureusement, cette trame élémentaire est trop simple pour les réseaux actuels. En effet, si le message n'est pas de longueur constante, on risque fort de ne pas savoir où il s'arrête et où démarre le suivant. On rajoute donc un champ supplémentaire pour définir la taille du texte. Mais cela risque de ne pas suffire, il faut aussi être sûr que chaque machine lisant le message comprenne que si dans le texte du message, elle trouve son adresse, il ne s'agit que d'une coïncidence. Aussi, on ajoute en général un code en début de trame permettant d'en repérer le début, on appelle ce code le marqueur. On y ajoutera aussi un champ pour le contrôle d'erreur. Ce qui donne : Marquer de début

Adresse du destinataire

Adresse de l’émetteur

Nombre d’octets

Texte du message

Code de contrôle

8.3.2.2. Principe du paquet On a vu au chapitre précédent que sur un texte à transmettre, viennent se greffer des éléments. Mais souvent, les trames ont un format limité, pour permettre aux autres de Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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parler (limite supérieure) ou pour des raisons technologiques que nous aborderons plus loin (limite inférieure). SI dans le cas de la limitation inférieure, on résout en général le problème en ajoutant des caractères sans signification, dans le cas de la limite supérieure, on doit souvent découper le texte en morceaux, d’un format restreint, permettant ainsi un transfert dans les normes, ce découpage, c’est la mise en paquet et les extraits du message sont alors nommés paquets (pour certains réseaux, on parle de datagrammes). La pyramide OSI a donc un défaut : augmenter grandement la taille de l’information à transmettre. Cependant, elle a l’avantage de fournir, sans erreur et de façon compréhensible, les données, ce qui est la moindre des choses.

8.4. LA COUCHE PHYSIQUE La couche physique permet de définir l'ensemble des caractéristiques physiques (d'où son nom) du réseau. Elle permet en fait de réaliser l'adaptation au médium utilisé pour la transmission en fixant les limites de son utilisation (débit, longueur, etc.).

8.4.1. La topologie d'un réseau La topologie d'un réseau, c'est la façon de connecter les machines. Il y a 3 méthodes élémentaires pour établir des communications. L'anneau Les machines sont placées pour former une boucle fermée, réalisée avec des liaisons point à point. Sur ce type de structure, chaque machine étant un élément de la transmission, la défaillance d'une machine peut provoquer la défaillance du réseau. Pour éviter cela, un dispositif court-circuite la connexion à la machine ce qui permet aussi l'installation d'une nouvelle machine ou son retrait de l'anneau sans provoquer l'arrêt complet de toutes les autres. Figure 95 : Le réseau en anneau


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L'étoile Les machines sont réparties, en étoile, autour d'une autre, nommé concentrateur, et reliées avec cette dernière par une liaison point à point. Cette topologie permet de créer de petits îlots indépendants. L'installation ou le retrait d'une machine (exception faite du routeur) peut se faire sans condition spéciale. Seule une défaillance du concentrateur peut causer une défaillance du réseau, parfois audelà même de l'îlot.

Figure 96 : Le réseau en étoile

Le bus Les machines sont réparties tout le long de la ligne, comme les mémoires sur un bus de microprocesseur, reliées au routeur par une liaison multipoints. Comme pour l'étoile, le retrait ou l'installation d'une machine (hormis le routeur) peut se faire sans condition particulière, toutefois, il suffit d’une machine pour créer une défaillance du réseau.

Figure 97 : Le réseau en bus En plus de ces méthodes élémentaires, il existe aussi des fonctions plus complexes permettant des formes plus variées, donc plus adaptées aux architectures des bâtiments ou du mode d'utilisation. Ces formes (le back-bone, l'arborescence et le réseau maillé) sont respectivement des dérivés du bus de l'étoile et de l'anneau.


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Le Back-Bone La traduction de Back-bone donne colonne vertébrale, c'est sur cette ligne que sont reliées toutes les autres structures (comme les côtes qui s'articulent sur l'axe qui transmet l'information nerveuse). L'arborescence L'arborescence, est à l'image d'un arbre dont le nombre de branches augmente à mesure que l'on s'éloigne a du tronc.

Figure 98 : L’arborescence d’un réseau Le réseau maillé. Cette structure utilise des liaisons point à point multiples offrant plusieurs voies de communication pour se rendre d'un point à un autre (redondance des liaisons). Le réseau maillé est la structure la plus complexe à utiliser, mais aussi, la plus sûre puisqu'une liaison défaillante n'interdit pas la communication des machines qu'elle relie, les données utilisant alors un autre chemin.

Figure 99 : Le réseau maillé Toutes ces topologies présentent chacune un (ou plusieurs) défauts spécifiques, l'anneau risque une ouverture, l'étoile est très difficile à reconfigurer, le bus crée des risques de collisions et enfin le réseau maillé impose l'utilisation d'un protocole de routage.


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On peut utiliser plusieurs topologies de connexions pour un réseau global, mais généralement, on utilise les réseaux maillés pour couvrir un territoire entier (ville, pays), un réseau en étoile ou en anneau localement dans une entreprise (la préférence est aux réseaux en étoile). Enfin au niveau des réseaux locaux, la topologie en bus est très répandue. Il n’est pas rare de voir des entreprises (IBM, HP, etc…) utiliser un réseau en étoile comme structure de l’immeuble et de créer de petits îlots avec des réseaux en anneau. A ce sujet cassons le cou à quelques idées reçues : Les réseaux en anneau sont souvent beaucoup plus rapides que les réseaux en étoile ou en bus. En effet, ces derniers sont « saturables », c'est-à-dire qu’ils ont une capacité au dialogue qui diminue avec le nombre de machines en communication, tandis qu’un réseau en anneau offre toujours les mêmes performances, Les réseaux en étoile ou les bus utilisent parfois des ressources partagées (réparties sur plusieurs machines) ce qui les rendent aussi sensibles que les anneaux vis-à-vis de la défaillance d’une machine, Aucun réseau n’est d’avance conseillé pour une application et seul une étude permet de dire que l’un est meilleur que l’autre.


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8.5. LE MEDIUM Le médium est la liaison physique entre les machines, c'est donc un aspect technologique des réseaux que l'on va aborder ici. Il existe une grande variété de média pour une information, on trouve par exemple, les liaisons par câble que nous verrons plus loin, mais aussi, des liaisons hertziennes, infrarouges, ultrason, etc…. Par exemple, le bus de terrain utilisé par EUROCOPTER pour tester l'hélicoptère TIGRE utilise pour une raison évidente une liaison hertzienne pour communiquer avec les capteurs placés sur les rotors. Toutefois, il faut en convenir, c’est essentiellement par des liaisons filaires, d’autre part, les fibres optiques. On utilise généralement une paire torsadée pour réaliser des réseaux de petite taille (dans un immeuble). En effet, il est souvent plus simple d’accepter un certains taux d’erreur que d’utiliser des médias à coût élevé. On peut remarquer que les liaisons coaxiales sont en voie de disparition.

8.5.1. Remarque sur les vitesses de propagation La vitesse de propagation dans une ligne électrique en cuivre est globalement de l’ordre de 220 000 Km/s, cela correspond à la formule :

Où ε et μ sont respectivement la conductivité et la permittivité du milieu, et c la vitesse de la lumière dans le vide (299 792 Km/s).

c qui permet d'obtenir la vitesse de n propagation d'une onde lumineuse dans une fibre optique. C'est cette même formule, transformée en Vϕ =

On définit n comme l'indice du milieu. Dans les fibres optiques, l'indice du milieu est de l'ordre de 1,5, cela donne une vitesse de propagation de l’ordre de 200 000 Km/s. On peut aussi noter que dans l'eau, la lumière atteint 75% de c et qu’elle est comprise entre 50 et 60% de c dans le verre. On constatera donc que l’information se propage plus vite dans le cuivre que dans la fibre optique. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.5.2. Les paires Torsadées L'utilisation du nom générique "paire torsadée" ne cache pas une uniformité des qualités, on les classe selon 3 normes cumulatives : La norme pour les fréquences On parle ici de catégorie de paire torsadée, il existe 7 (ou 8 catégories) de liaison en paire torsadée. Catégorie

Fréquence Maximum

Débit

Domaine d’utilisation

Cat. 1 Cat. 2

Câble téléphonique

Abandonné

Cat. 3

16 MHz

10 Mbits/s

10 BASE-T

Cat. 4

20 MHz

16 Mbits/s

Token Ring ou 100BASE-T4

Cat. 5

100 MHz

100 Mbits/s

100BASE-TX ou ATM

Cat. 5e

100 MHz

1 Gbit/s

Cat. 6

200 MHz

1 Gbit/s et +

Cat. 7

600 MHz

1 Gbit/s et +

Ethernet Gigabit ou plus

Table 2: Les normes pour les fréquences La norme par section de conducteur Cette norme est plus connue sous le nom de AWG (American Wire Gauge), elle donne à partir d’un nombre le diamètre du conducteur mais aussi sa résistance linéique. Tout au moins c’est ce qui était prévu à l’origine, malheureusement il semble qu’il y ai eu quelques divergences. Toutefois, on peut donner à partir de la référence AWG la section et la résistivité d’une ligne :

diamètre = 0,32"×2 r = μ×2

AWG 6

AWG 6

avec µ = 3,06824 10-4 Ω/m


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Cette norme qui, à l’origine était utilisée pour les cordes de guitare (monter d’un ton revient à prendre une corde en AWG+1), est désormais dédiée aux câbles électriques. Il existe de très nombreux tableaux (pas tous très cohérents) pour éviter de fastidieux calculs savants. AWG

Ø : 1/10 mm

Ω/m

36

1,270

1,257

38

1,008

1,995

40

0,800

3,167

42

0,635

5,027

44

0,504

7,980

La norme pour les protections Bien que dans la très grande majorité des cas, le simple fait d'utiliser un système de transmission différentiel soit amplement suffisant pour protéger les informations qui circulent dans une paire torsadée, il existe une norme décrivant la protection apportée à une ligne. Ce classement se fait par indice de protection.

Câble non blindé

UTP

Unshielded Twisted Pair

Câble écranté

FTP

Foiled Twisted Pair


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Câble écranté-blindé

S-FTP

Shielded-Foiled Twisted Pair

Câble double blindage

S-STP

Shielded-Shielded Twisted Pair

Table 3: Normes de protection des câbles Les paires torsadées UTP n'ont aucune protection particulière, elles sont donc théoriquement plus sensibles que les autres aux perturbations. En FTP, un écran en aluminium (en général non connecté à la masse) viens ajouter un écran vis à vis des parasites extérieurs, c'est en général une solution intermédiaire entre le UTP et le S-FTP. En S-FTP (parfois appelé STP pour Shielded Twisted Pair), en plus de l'écran des FTP, on ajoute une tresse reliée à la masse qui joue le rôle de cage de Faraday. Enfin S-STP est le nec plus ultra des liaisons en paire torsadée, chaque paire est individuellement blindée et l'ensemble est blindé lui aussi. Ces lignes de transmission sont virtuellement parfaitement isolées de tous les parasitages, précisons qu'elles coûtent horriblement cher… Pour toutes les paires torsadées de type UTP, FTP ou S-FTP, il existe une forme sournoise de parasitage, la diaphonie, c'est à dire l'effet d'une paire sur une autre. Les paires torsadées disposent donc, en outre de leur protection, d'une autre astuce leur permettant de réduire l'effet de la diaphonie : la fréquence de torsadage des paires. Dans une liaison à 2 paires, les paires 1 et 2 sont torsadées à des fréquence différentes (en général il y a un facteur 2). Dans une liaison à 4 paires, les paires 1 et 3 sont de fréquences identiques, de même que les paires 2 et 4, mais ces 2 fréquences sont différentes.


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En général, les constructeurs fournissent des tableaux récapitulant les caractéristiques de leurs liaisons. Indice de protection

Fmax

Catégorie

Atténuations

UTP ou FTP

200 MHz

5e

19.8 dB/100m à 100 MHz

S-FTP

300 MHz

5e

19.8 dB/100m à 100 MHz

UTP, FTP ou S-FTP

400 MHz

6

27 dB/100m à 200 MHz

S-STP

750 MHz

7

49.2 dB/100m à 600 MHz

S-STP

1200 MHz

8

64 dB/100 m à 1200 MHz

8.5.3. Les fibres optiques Il existe 2 grands types de fibres optiques, les fibres monomodes, où l'onde lumineuse circule dans le coeur de la fibre, et les fibres multimodes (à saut ou à gradient d'indice), où l'onde se réfléchie sur les parois de la fibre.

Figure 100 : Les deux types de fibre optique Les fibres optiques sont apparues au début des années 60, mais ce n'est qu'au cours des années 70 qu'elles sont entrées dans le domaine des réseaux, grâce à une meilleur maîtrise du silicium et de ses dopants qui a permis d'obtenir des atténuations de l'ordre de 20dB/Km (au lieu de 1000dB/Km à l'origine). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Avec les années 80 des fibres monomodes, l'atténuation dans les lignes fut portée à 2dB/Km. De nos jours, les fibres monomodes offrent des atténuations de 0,2 à 0,3dB/km. On considère que les fibres optiques à saut d'indice (quasiment abandonnées de nos jours) offrent des débits de l'ordre de 50 Mbits/s, tandis que celles à gradient d’indice permettent d’atteindre 1Gbit/s. Les fibres monomodes quand à elle d'atteindre des débits de 40Gbit/s sur des distances allant de 3Km pour les fibres monomode standard (G 652) jusqu'à 25Km pour les fibres "True Wave" (G 655). Les fibres optiques travaillent dans le proche infrarouge (de 800 à 1600 nm de longueur d'onde). Elles sont réalisées en oxyde de silicium (SiO2) avec une très faible densité d'ions OH- (ces ions ayant la fâcheuse tendance à absorber le rayonnement en proche infrarouge). On dope en suite le coeur de la fibre à l'aide de Germanium ou de phosphore, ce qui permet d'augmenter légèrement l'indice du coeur. On dope aussi la gaine à l'aide de bore ou de fluor pour diminuer légèrement son indice. Le coeur d'une fibre optique a un indice (n1) d'environ 1,5 pour un diamètre de l'ordre de 200μm pour les fibres à saut d'indice, de 62,5μm pour les fibres à gradient d'indice et de 10μm pour les fibres monomodes.

n2 = 0,99 ), pour un diamètre n1 extérieur de fibre de 380μm pour les fibres à saut d'indice et de 125μm pour les fibres à gradient d'indice ou monomodes.

La gaine elle à un indice (n2) très proche de celui du cœur (

Le tout est enrobé d'une enveloppe en acrylique qui assure l'absorption des chocs mécaniques. C'est la fibre optique seule qui donne à la ligne de transmission ses propriétés mécaniques longitudinale, l'enveloppe en plastique ne servant qu'à la protéger contre le cisaillement. En théorie, une fibre de 29mm de diamètre devrait supporter le poids de 216 éléphants (1300 tonnes). Les fibres optiques ne sont toutefois pas exemptes de défauts, même si elles sont parfaitement immunes aux perturbations électromagnétiques, elles ont tendance à diffuser la lumière, c'est à dire à créer des tâches floues, de même, elles ne propagent pas toutes les longueurs d'onde à la même vitesse, ce qui tend à déformer les signaux transmis. Enfin leur atténuation naturelle limite les distances de transmission.


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8.5.4. Les éléments de la couche physique

Figure 101: Les éléments de la couche physique


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L'autre élément fondamental de la couche 1 qui permet les interconnexions sans analyse des protocoles est le HUB.

Figure 102 : Le HUB C’est un élément permettant de concentrer le trafic provenant de plusieurs hôtes et de régénérer le signal. Il possède de 4 à 32 ports permettant de connecter les machines entre elles, parfois disposées en étoile ce qui lui vaut le nom de HUB (moyeu de roue en anglais).On peut connecter plusieurs HUBS entre eux, pour cela on utilisera un câble croisé entre les HUBS.


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8.6. ETHERNET Ethernet est le standard le plus connu dans le monde des réseaux, bien qu’étant parmi les moins performants sur le marché, son utilisation mondiale en a fait l’outil par l’excellence de toutes les entreprises. Conçu en 1980 par Bob Metcalf (le fondateur de 3Com). Il est une interface peu onéreuse permettant de connecter des machines via une topologie de bus en vue de partager des ressources. Bien que ne faisant pas réellement partie du monde des réseaux locaux industriels au sens strict, Ethernet n’en reste pas moins un réseau local d’entreprise. Le fait qu’il n’est plus rare du tout de voir des automates connectés à Ethernet sinon à Internet via Ethernet (exemple : serveur web). Ethernet n’utilise que les deux couches les plus basses de la pyramide OSI. La couche physique permet de se connecter via 3 familles de média : paire torsadée (UTP) ; câble coaxial (gros ou fin) et fibres optiques. La couche d’accès au medium utilise un processus normalisé (IEEE 802.3). Mais ce qui caractérise le plus ce réseau, c’est l’incroyable quantité d’applications qui ont été développées « sur » lui. En effet, s’y sont greffés de nombreux protocoles, comme TCP/IP, PROFIBUS, FIELDBUS, etc…. En définitive, Ethernet est un support universel. Ce qui lui vaut une grande popularité. Nous allons donc étudier la trame standard d’Ethernet puis les connexions utilisées. Enfin nous nous intéresserons aux chapitres suivant ‘protocole TCP/IP et PROFIBUS’. Cette trame a subit d’importante modification depuis sa mise en place par les primo géniteurs du réseau. A l’origine, la longueur de la trame était codée dans un champ spécifique. Depuis elle s’est transformée en une définition du type de données encapsulées.

8.6.1. Trame fondamentale La trame Ethernet fondamentale est composée de 6 champs : Le champ du début (préambule), L’adresse du destinataire (Destination Adress Field), L’adresse de l’émetteur (Source Adress Field), Le champ de longueur ou de type, Le champ de données, Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le champ de CRC. Ethernet Header

Preamble / SFD

Destination Address

Source Adress

Type / Lenght

Data

Frame Check Sequence

7 + 1 bytes

6 bytes

6 bytes

2 bytes

46 – 1500 bytes

4 bytes

8.6.1.1. Le préambule Le préambule est constitué de 7 octets permettant la régénération de l’horloge de l’émetteur, puis du délimiteur de début. Les 7 premiers octets sont composés en alternance de 1 et de 0, formant le code hexadécimal AAH. Tandis que l’octet de début forme le mot ABH (seul le dernier bit change).

8.6.1.2. Les adresses de destination et de source Les adresses sont composées de 2 zones de 3 octets chacune première permet de définir le nom du constructeur (elle est fourni par un organisme de régulation) tandis que les 3 octets de poids faible codent le « n° de série » de la carte. On appelle généralement ces adresses les adresses MAC (du nom de la couche où l’on les utilise). Une spécificité de cet adressage c’est qu’il n’utilise pas d’adresses impaires pour parler à des machines individuelles. Ces adresses sont strictement réservées aux émissions multiples (multicast et broadcast).

8.6.1.3. Le type Les trames Ethernet encapsulant un grand nombre d’autres protocoles, on utilise ce champ pour préciser le type d’informations encapsulées. Par exemple les paquets IP sont codés 0800H. Voir la table des valeurs ci-après.

8.6.1.4. Le champ de donnée Le champ de données est utilisé par les couches supérieures pour y placer des données. Ce champ doit contenir au moins 46 octets. Si une trame ne contient pas assez de données pour remplir cet intervalle, on utilise des bits de remplissage pour compléter l’espace. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.6.1.5. Tables des Ethertypes. Type (Hex)

Fonction

0 – 05DC

Taille du champ de données

0600

XEROX

0800

Internet Protocol

0805

X25 version 3

0806

Adress Résolution Protocol

0BAD

Banyan System

0BAF

Banyan Vines

8035

Reverse ARP

8037

Novell Netware IPX (New)

809B

Ethertalk (Appletalk)

80D5

IBM SNA Services over Ethernet

80F3

Apple Talk ARP

8137

Novell Netware IPX (Old)

8138

Réservé Novell, Inc.

814C

SNMP over Ethernet

8191

NetBIOS/NetBEUI (PC)

817D

XTP

81D6

Artisoft Lantastic

81D7

Artisoft Lantastic

8203-8205

QNX Software Systms Ltd.

86DD

IP version 6

AAAA

DECNET (VAX)

Figure 103 : Extraits de la table des Ethertypes Normalisés


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8.6.2. La Couche Physique d'Ethernet Originellement, Ethernet était conçu pour utiliser exclusivement du câble coaxial 50Ω, avec une topologie en bus donc avec des impédances de terminaison. Du fait de ses caractéristiques, il permettait la transmission à 10Mbaud en bande de base sur une distance de 500m du signal informatif. D'où son nom de câblage en 10BASE-5. Figure 104: Transmission avec câble coax En décomposant 10BASE-5 on trouve 10 Mbaud en bande de BASE sur 500m. L'utilisation d'un câblage en 10BASE-5 impose l'installation d'un câble principal (le Back Bone ou colonne vertébrale) "rigide", sur lequel on branche avec des prises vampires (permettant une connexion sans rupture de ligne) des tranceivers ou des prolongateurs. Cet ensemble forme un MAU pour Media Attachment Unit. Ce gros câble doit avoir une longueur qui est un multiple impaire de 3,4m (23,4m, 70,2m, 117m, 163,8, etc.) sans pour autant dépasser 500m soit au 491 soit 21 segments de câble coaxial. Son atténuation ne doit pas dépasser 8,5 dB pour 500m à 10MHZ et sa résistivité doit être inférieure à 10Mohms/m. Mais l’évolution des techniques et surtout la réelle nécessité de réduire les coûts de câblage permet la mise en place d’autres versions telle que le 10BASE-2 qui utilise un câble coaxial fin et nettement moins coûteux, avec les câbles coaxiaux relié directement au niveau de chaque machine par des connecteurs en tés. Par contre la distance entre machine est réduite à 200m et il est interdit de relier une machine via un brin au connecteur en té. Ce câblage est dénommé câblage coaxial fin (ou yellow cable), son atténuation grimpe en flèche à 4,6dB pour 100m à 10MHz, il est aussi plus lent à propager l’onde électromagnétique que le gros câble coaxial. Ces câblages présentaient toujours l’inconvénient d’interdire toute installation (ou retrait) de machine sans interruption des communications et toute défaillance d’un élément du réseau influençait tous les autres. L’utilisation d’un câblage plus évolutif devint vite une nécessité, d’où l’implémentation par le comité IEEE de câblages en paire torsadées. Cette technologie permet d’utiliser des fils torsadés non blindés donc un type de câblage extrêmement économique. En utilisant une technologie non plus en bus mais en étoile, en utilisant la désormais célèbre prise RJ45.


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Figure 105 : Réseau Ethernet en étoile avec connexion sur un HUB en RJ45 On peut alors établir une connexion avec la machines via une interface (AUI pour Attachment Unit Interface), composée d'un connecteur de type CANON DB15. Les câbles en paire torsadée ont une impédance caractéristique de 120Ω, ils sont encore plus lents que le câble coaxial fin vis-à-vis de la propagation des signaux électromagnétiques. Enfin il impose une atténuation de 11,5dB pour 100m à 10MHZ. On leur connaît aussi d'autres défauts tels que la diaphonie (influence d'un brin sur l'autre ), cette dernière ne doit pas excéder 26dB à 10MHz. Cette méthode de câblage a reçu le nom de 10BASE-T. Comme elle utilise 2 paires de fil torsadé, un pour la transmission, et un pour la réception, elle permet un transfert en FULL DUPLEX des informations. Toutefois, l'évolution d'Ethernet ne s'arrête pas là puisqu'il existe des modes de fonctionnement utilisant la fibre optique ces sont les modes 100BASE-FL. Ces modes utilisent en général des topologies de type Back-bone (réalisé en fibre optique) et sur lesquels viennent s'articuler des formes différentes (anneaux, bus ou étoiles).

Figure 106 : Exemple d’un routage en réseau Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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L'utilisation des câblages en étoile ou des structures Back-bone impose l'utilisation respectivement de Hub (pour diffuser l'information en étoile) ou de Switch (pour modifier les vitesses, voir les protocoles liés aux méthodes de diffusion). Tant qu'il n'est pas nécessaire d'établir un routage, on peut conserver les protocoles Ethernet. Toutefois, dès qu’il y a une segmentation en réseaux et sous réseaux, il est impératif d’inclure un protocole de couche 3 voir de couche 4. Le protocole TCP/IP étant le plus utilisé.

8.6.3. La Couche de Liaison d'Ethernet La couche de liaison repose sur la trame précédemment décrite, elle permet du fait de sa taille une encapsulation facile de message en provenance des couches supérieures. Ainsi, une trame normalisée. Ainsi, une trame normalisée IEEE 802.3 en provenance directe de la couche d'application de la pyramide OSI peut être présenté de la façon suivante: Ethernet Header

Data Field

PA

SFD

DA

SA

Type

Data Packet

FCS

7

1

6

6

2

46 – 1500 bytes

4

Figure 107 : Trame classique Ethernet II normalisée IEEE 802.3 Tandis que l’utilisation des encapsulations permet de décomposer à nouveau les trames reçues : Ethernet Header PA

SFD

DA

SA

Lenght

7

1

6

6

2

Data Field 802.2 LLC Header DSAP SSAP Ctrl 1

1

1

Data Packet

FCS

43 – 1497 bytes

4

Figure 108 : Trame Ethernet avec une encapsulation LLC Comme on peut le constater, on a placé dans le champ de donnée des informations provenant des couches supérieures (ici de la sous-couche LLC). Ces informations s'adressant à des éléments de la machine non pointé par des adresses MAC, les données encapsulées dans le champ de donnée de la trame MAC commence donc par la définition du service destinataire et du service source (dans notre cas, il s'agit de l'adressage des SAP de la couche LLC entrant en communication). On réduit donc d'autant la taille du champ de données. Toujours dans le cadre du protocole, on doit s'appesantir un peu sur les principes d'adressage. Ainsi, les 6 octets du champ d'adresse sont décomposés en 2 fois 3 octets. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le premier octet (ou l'octet de poids fort) permet d'identifier le constructeur. Il faut aussi permettre un aiguillage correct des données, c'est-à-dire établir à quel service sont destinées les données présentes sur le bus. Aussi on a reconverti le champ de longueur en un champ de 2 octets codant le type d'informations portées. A titre d'exemple, un champ IP est référencé 080016. Le premier octet (ou l’octet de poids fort) permet d’identifier le constructeur. Tous les pays identifient les constructeurs de la même façon, mais ce code n'est pas véhiculé par les algorithmes de routage. Il n'est donc connu que localement. Les constructeurs peuvent donc utiliser 2 fois (ou plus) une même adresse à condition de ne pas vendre ces cartes dans la même zone géographique, d'où un certain risque à acheter dans deux pays différents des cartes réseaux d'un même constructeur. Le second octet (ou l'octet de poids faible) permet d'identifier la carte. Cet octet doit impérativement être pair. Mais même si l'adresse est paire, il circule sur le réseau (on peut le constater avec un espion) des trames dont les adresses sont impaires. Ce sont des trames à destination de groupes de cartes (MULTICAST) voir même de toutes les cartes (BROADCAST). L'adresse de BROADCAST est assez simple à retenir puisqu'elle n'est composée (en binaire) que de 1 ce qui donne en hexadécimal "FF FF FF FF FF FF". A cette adresse de diffusion, toutes les machines sont censées répondre si le contenu du message les concerne. On verra dans le cadre de l'utilisation de TCP/IP comment cela fonctionne. Les adresses de MULTICAST sont elles par contre légion (environ 8 millions), elles sont obtenues par un algorithme à partir des adresses des machines concernées par le message. Cet algorithme apparenté aux calculs de CRC permet de recréer automatiquement une adresse commune à l'ensemble des machines concernées. Chaque machine en appliquant le même calcul retrouvera ainsi son adresse propre. L'utilisation des commandes de MULTICAST est plus limitée que l'utilisation des commandes de BROADCAST. Toutefois, dans le cadre de l’utilisation des couches supérieures, il n'est pas rare de voir ce genre de trames circuler.


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8.7. LE PROFIBUS 8.7.1. Réseaux locaux (LAN) dans l’automatisation production et process Les Technologies de l’Information jouent un rôle moteur dans la montée en puissance des systèmes d’automatismes. Bousculant l’organisation pyramidale de l’entreprise, révolutionnant ses schémas traditionnels et modifiant radicalement ses flux, elles n’épargnent aucun secteur d’activité (continu, manufacturier, logistique, GTB…). Les capacités de communication des équipements industriels et les liaisons transparentes qui irriguent toute l’entreprise sont les briques technologiques indispensables à l’édification des solutions d’automatisation de demain. La communication industrielle devient directe et transversale pour fédérer tous les équipements de terrain, mais aussi verticale afin d’intégrer tous les échelons de la pyramide CIM. Selon les exigences de l’application et ses contraintes économiques, des réseaux de communication évolutifs, parfaitement adaptés à l’industrie, tels PROFIBUS, AS-i et Ethernet, sont les pierres angulaires d’une connexion transparente de tous les domaines de la production. Á la base de l’édifice industriel, les signaux des équipements TOR sont transmis par un bus capteurs/actionneurs. Simplicité et économie sont ici de rigueur : il s’agit d’acheminer, sur un même câble, non seulement les données utiles (échanges cycliques), mais aussi l’alimentation en 24 V des appareils de terrain. C’est le domaine de prédilection du réseau AS-i. Au niveau terrain, la périphérie décentralisée (E/S, transmetteurs, variateurs de vitesse, vannes et interfaces opérateur) dialogue avec les automatismes sur un réseau alliant performances et communication en temps réel. Les données du procédé sont transmises de façon cyclique, tandis que les alarmes, paramètres et informations de diagnostic le sont de façon acyclique, au gré des besoins. PROFIBUS répond parfaitement à ces exigences en offrant un maximum de transparence aussi bien dans le domaine manufacturier que celui du process. Le dialogue inter automates (PLC et PC industriels) relève du niveau cellule. Il faut échanger de gros volumes de données et compter sur une multitude de fonctionnalités de communication très puissantes. Autre exigence clé : la connectivité transparente des équipements à des réseaux couvrant tous les besoins de l’entreprise, à base d’Ethernet et de protocole TCP/IP (Internet/intranet). L’explosion des Technologies de l’Information en automatisation crée de nouveaux gisements d’économie, directement puisés dans l’optimisation des procédés, et contribue largement à une meilleure exploitation des ressources.


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Les réseaux industriels sont les fers de lance de cette révolution. C’est le cas de PROFIBUS, véritable « colonne vertébrale » du système d’information de l’usine. Son intégration à des réseaux reliant toute l’entreprise sur TCP/IP.

8.7.1.1. Systèmes de communication Les performances des systèmes d’automatisation ne dépendent actuellement plus uniquement des automates mais aussi en grande partie de l’environnement. Celui–ci est constitué de la visualisation de process, du contrôle–commande et surtout d’un système de communication performant. Le système de communication repose sur des réseaux locaux qui, selon les conditions cadre, peuvent être réalisés à l’aide de supports de transmissions : purement électriques purement optiques à infrarouge électriques/optiques/a infrarouge combiné purement électriques, à sécurité intrinsèque.

8.7.1.2. Systèmes décentralisés L’automatisation de la production et des process fait de plus en plus appel à des systèmes d’automatisation décentralisés. En d’autres termes, une fonction d’automatisation complexe est décomposée en tâches partielles plus simples gérées par des systèmes d’automatisation décentralisés. Les besoins en communication entre les systèmes décentralisés sont par conséquent très importants. Les structures décentralisées présentent entre autres les avantages suivants : possibilité de mise en service simultanée et autonome de plusieurs secteurs de l’installation programmes plus petits et moins complexes traitement parallèle par des systèmes d’automatisation distribués Il en résulte : des temps de réaction plus courts Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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une plus faible charge pour les différentes unités de traitement. possibilité pour les structures de niveau supérieures d’assurer également des fonctions de diagnostic et de journalisation amélioration de la disponibilité de l’installation, le système complet n’étant pas affecté par la défaillance d’une sous–station. Pour une structure décentralisée, un système de communication performant et complet est incontournable.

8.7.1.3. Industrial Ethernet/Fast Ethernet Réseau de communication destiné au domaine réseau local et cellule avec transmission en bande de base selon IEEE 802.3 et procédure d’accès CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Détection), utilisant les supports : câble triaxial 50 W câbles Twisted Pair 100 W câbles à fibres optiques en verre

8.7.1.4. AS–Interface Réseau de communication destiné au niveau d’automatisation le plus bas, c.–à–d. à la connexion d’actionneurs et de capteurs TOR aux automates programmables via un câble bus AS–I.

8.7.1.5. PROFIBUS Réseau de communication pour le niveau cellule et terrain selon EN 50170–1–2 avec les procédures d’accès hybrides Token Bus et maître–esclave. L’interconnexion s’effectue à l’aide de câbles bifilaires, de câble FO ou par infrarouge.

8.7.1.6. PROFIBUS–PA PROFIBUS–PA est le PROFIBUS pour l’automatisation de process (PA). Il allie le protocole de communication PROFIBUS–DP et la technique de transmission selon IEC 61158–2.


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8.7.2. Les différents profils du profibus

Figure 109 : Les 3 grandes familles de profil profibus et la convergence de PROFIBUS et d’Ethernet PROFIBUS est un réseau de terrain ouvert, non propriétaire, répondant aux besoins d’un large éventail d’applications dans les domaines du manufacturier et du process. Son universalité (indépendance vis-à-vis du constructeur) et son ouverture sont garanties par les normes européennes EN 50170, EN 50254.et international IEC61158 PROFIBUS autorise le dialogue de matériels multi constructeurs, sans passer par des interfaces spécialisées. Il se prête aussi bien à la transmission de données exigeant des actions réflexes, en des temps de réaction très courts, qu’aux échanges de grandes quantités de d’informations complexes. En perpétuelle évolution, PROFIBUS reste le réseau de communication industriel du futur. PROFIBUS se décline en deux protocoles de transmission, appelés profils de communication, aux fonctions bien ciblées : DP et FMS. De même, selon l’application, il peut emprunter trois supports de transmission ou supports physiques (RS 485, CEI 11582 ou fibre optique). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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En outre, dans le cadre des évolutions techniques du réseau, l’association des utilisateurs du PROFIBUS travaille actuellement sur la mise en place des concepts universels d’« intégration verticale » de tous les niveaux de la pyramide CIM, sous TCP/IP. Enfin, les profils applicatifs définissent, pour chaque type d’équipement, le protocole et la technique de transmission adaptés à l’application. Ils s’attachent également à préciser le comportement des équipements, indépendamment de leur constructeur.

8.7.2.1. Les profils de communication Ces profils ont pour objet de définir la façon dont les données sont transmises en série par l’utilisateur, sur un même support physique. DP Profil de communication le plus répandu dans l’industrie et le plus prisé pour sa rapidité, ses performances et sa connectique à faible coût, DP est réservé au dialogue entre automatismes et périphérie décentralisée. Il remplace à merveille la transmission classique de signaux parallèles en 24 V dans le manufacturier et de signaux analogiques sur boucle 4-20 mA ou interface Hart dans le process. FMS Profil universel, il excelle dans les tâches de communication exigeantes et s’accompagne de multiples fonctions applicatives évoluées gérant la communication entre équipements intelligents. Soumis toutefois à l’évolution du PROFIBUS et à la percée du monde TCP/IP au niveau cellule, force est de constater que le profil FMS est appelé à jouer un rôle de moins en moins important dans la communication industrielle de demain.

8.7.2.2. Les supports physiques Le champ d’action d’un bus de terrain est largement dicté par le choix de son support physique. Aux exigences générales de fiabilité de la transmission, de gestion des longues distances et des débits élevés, s’ajoutent des critères spécifiques, orientés process : fonctionnement en atmosphère dangereuse et transmission des données et de l’énergie sur un même câble. Autant de critères qu’aucune technique de transmission ne peut aujourd’hui satisfaire à elle seule ; d’où les trois profils physiques de PROFIBUS : La liaison RS 485 répondant aux applications universelles de l’industrie manufacturière, Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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La transmission CEI 1158-2 adaptée au process, La fibre optique, synonyme d’excellente immunité aux parasites et de longues distances. Précisons, toutefois, que l’avenir est à une couche physique PROFIBUS bâtie sur des composants Ethernet du commerce, capables de transmettre à 10 Mbit/s et 100 Mbit/s. Dans cette optique, l’offre PROFIBUS comporte déjà des coupleurs et des liaisons assurant la migration d’une technique à l’autre. Si les coupleurs mettent en oeuvre le protocole de façon transparente, en tenant compte des contraintes du milieu, les liaisons, par essence « intelligentes », dotent la configuration des réseaux PROFIBUS de fonctionnalités étendues.

8.7.2.3. Profils applicatifs Les profils applicatifs de PROFIBUS décrivent l’interaction du protocole de communication avec la technique de transmission utilisée. Ils définissent également le comportement des équipements de terrain sur PROFIBUS. Au premier rang de ces profils « métier » figure PROFIBUS-PA, qui décrit les paramètres et les blocs de fonctions d’instruments de process tels que transmetteurs, vannes et positionneurs. D’autres profils sont dédiés à la variation électronique de vitesse, à la conduite et à la supervision (HMI), et aux codeurs avec, dans chaque cas de figure, la double mission d’établir des règles de transmission indépendantes du fournisseur et de définir le comportement de chaque type d’équipement.

8.7.3. Les fondements de profibus PROFIBUS spécifie les caractéristiques techniques d’un bus de terrain série destiné à interconnecter des automatismes numériques répartis aux niveaux terrain et cellule. Ce réseau multi maître autorise l’exploitation conjointe de plusieurs systèmes d’automatisation, de développement et de visualisation avec leur périphérie décentralisée, sur un même câble. A cette fin, PROFIBUS distingue des équipements maîtres et des équipements esclaves : Les maîtres ou stations actives pilotent la transmission de données sur le bus. Un maître peut librement émettre des messages sous réserve d’obtenir le droit d’accès au réseau (jeton). Les esclaves ou stations passives sont des équipements périphériques (blocs d’E/S, vannes, entraînements et transmetteurs de mesure) qui n’ont pas le droit Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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d’accéder au bus. Leur action se limite à l’acquittement des messages reçus ou à la transmission de messages sur demande du maître. N’exploitant qu’une partie minime du protocole, leur mise en œuvre s’avère des plus économiques.

Figure 110 : Vue d’ensemble de la technologie profibus

8.7.3.1. Architecture de communication PROFIBUS répond à des normes internationales unanimement reconnues. Son architecture repose sur 3 couches inspirées du modèle en 7 couches de l’OSI, suivant la norme ISO 7498. La couche 1, physique, décrit les caractéristiques physiques de la transmission ; la couche 2, liaison de données, spécifie les règles d’accès au bus ; enfin, la couche 7, application, définit les mécanismes communs utiles aux applications réparties et la signification des informations échangées. Le profil ultrarapide DP n’exploite que les deux couches basses 1 et 2, ainsi que l’interface utilisateur. Cette rationalisation de l’architecture garantit la rapidité et l’efficacité de la transmission. L’adaptateur DDLM (Direct Data Link Mapper) facilite l’accès de l’interface utilisateur à la couche 2. Les fonctions applicatives de l’utilisateur et le comportement des divers types d’équipement DP (systèmes et appareils) sont précisés dans l’interface utilisateur.


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Figure 111 : L’architecture de communication profibus Le profil universel FMS met en oeuvre les couches 1, 2 et 7. Cette dernière se compose de la messagerie FMS (Fieldbus Message Spécification) et de l’interface LLI (Lower Layer Interface). FMS spécifie une pléiade de services de communication évolués entre maîtres et entre maîtres et esclaves. LLI définit la représentation de ces services FMS dans le protocole de transmission de la couche 2.

8.7.3.2. Transmission RS485 RS 485 est la technique de transmission privilégiée de PROFIBUS. Elle convient à tous les domaines exigeant des débits élevés associés à une simplicité d’installation à moindre coût. Son support physique est la paire torsadée blindée. La mise en oeuvre de la liaison RS 485 est d’une grande facilité ; l’installation de la paire torsadée ne requiert pas de connaissance particulière et la structure du bus permet l’ajout ou le retrait de stations ou la mise en service par étapes du système sans répercussion sur les autres stations. Les extensions futures ne pénalisent pas les stations en exploitation. L’utilisateur a le choix du débit, dans une plage allant de 9,6 kbit/s à 12 Mbit/s. Ce choix, effectué au démarrage du réseau, vaut pour tous les abonnés du bus. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Support

Paire torsadée blindée

Nombre de stations

32 par segment sans répéteur 126 maxi avec répéteurs Connecteur Sub-D 9 points en protection IP20 (préconisé)

Connectique

Connecteur M12, HAN®BRID ou connecteur hybride Siemens en protection IP 65/67 Table 4 : Principales caractéristiques d’une liaison RS485

Le bus s’achève par une terminaison active, à chaque extrémité de segment. Pour écarter tout risque d’erreur, les deux terminaisons de bus doivent toujours être alimentées. La terminaison peut d’ordinaire être activée au niveau des équipements ou des connecteurs de terminaison de bus. Si le réseau comporte plus de 32 abonnés ou si l’on souhaite étendre sa portée, il faut utiliser des répéteurs (amplificateurs de ligne) pour relier les divers segments de bus. La longueur maximale du câble est inversement proportionnelle au débit ; les valeurs de la table 2 sont données pour un câble de type A répondant aux caractéristiques suivantes : Impédance 135 à 165 Ω Capacité < 30 pF/m Résistance de boucle 110 Ω/km Diamètre du conducteur 0,64 mm Section du conducteur > 0,34 mm² L’emploi de câbles de type B (ancienne génération) est déconseillé. En protection IP 20, les réseaux PROFIBUS sur liaison RS 485 privilégient le connecteur Sub-D 9 points. En protection IP 65/67, trois possibilités sont envisageables : Connecteur rond M12, normalisé CEI 947-5-2, Connecteur HAN®BRID, conforme (Decentralized Standardized Installation)

aux

recommandations

DESINA

Connecteur hybride Siemens. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Précisons que le connecteur HAN-BRID existe aussi en version mixte permettant de combiner la transmission des données sur fibre optique et l’alimentation des périphériques en 24 V sur cuivre.

Connecteur HAN®BRID, version Cu-Fo Transmission des données (fibre optique) et alimentation de la périphérie en 24 V (cuivre) par un seul connecteur mixte (également disponible en version Cu/Cu)

Connecteur M12 pour RS 485 et IP 65/67 Brochage : 1 = VP 2 = RxD/TxD-N 3 = DGND 4 = RxD/TxD-P 5 = blindage

Connecteur hybride Siemens Transmission de l’alimentation 24 V et des données PROFIBUS sur cuivre pour équipements en IP 65 Figure 112 : Les différentes connexions PROFIBUS Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les câbles PROFIBUS sont tous issus de constructeurs de renom. Le système de raccordement rapide mérite une mention particulière : doté d’un câble et d’un dénudeur spécifiques, il est gage de rapidité, de fiabilité et de simplicité de câblage. Lors du raccordement des stations, veillez à ne pas inverser les lignes de données. Il est impératif d’utiliser des lignes de données blindées pour garantir un antiparasitage optimal en ambiance à forte pollution électromagnétique. Ce blindage doit être relié à la masse mécanique à chaque extrémité, tout en assurant une bonne conductivité avec des colliers de blindage couvrant la zone la plus large possible. Il est en outre recommandé de dissocier les lignes de données des câbles haute tension. On évitera également les câbles de jonction pour les débits atteignant ou dépassant 1,5 Mbit/s. Les connecteurs du commerce permettent de raccorder les câbles d’arrivée et de départ directement sur le connecteur. Les lignes de jonction n’ont donc pas d’utilité et le connecteur peut être inséré ou retiré à tout moment, sans interrompre l’échange de données. Á cet égard, il convient de noter que 90 % des problèmes survenant sur un réseau PROFIBUS sont imputables à des erreurs de câblage et d’installation. On peut y remédier en utilisant des testeurs et des analyseurs de bus, capables de détecter bon nombre de défauts de câblage, avant même de procéder à la mise en service. Débit (kbit/s)

9,6

19,2

93,75

187,5

500

1 500

12 000

Distance/segment (m)

1 200

1 200

1 200

1 000

400

200

100

Table 5 : Correspondance débit/distance pour un câble de type A

8.7.3.3. Transmission CEI 1158-2 La technique de transmission synchrone conforme à la norme CEI 1158-2 (débit fixe de 31,25 kbit/s) est utilisée dans le domaine du process et répond aux deux grandes exigences de la chimie et de la pétrochimie : sécurité intrinsèque et télé alimentation des instruments de terrain sur le bus par un câblage bifilaire. PROFIBUS peut donc être utilisé en zone dangereuse. Les possibilités et les limites de PROFIBUS sur liaison CEI 1158-2, en atmosphère explosible, sont définies par le modèle FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). Élaboré par l’institut de physique allemand Physikalisch Technische Bundesanstalt, ce concept fait aujourd’hui autorité dans ce domaine. Six grands principes régissent la transmission CEI 1158-2/FISCO : Chaque segment possède une seule source d’énergie, l’unité d’alimentation. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Aucune énergie ne transite sur le bus lorsqu’une station émet. Chaque instrument de terrain consomme un courant de base constant, en régime établi. Les instruments de terrain se comportent comme des collecteurs de courant passifs. La terminaison de ligne passive est réalisée à chaque extrémité du câble principal du bus. Trois topologies sont admises : linéaire, arborescente et en étoile. En régime établi, chaque station nécessite un courant minimal de 10 mA. Grâce à la télé alimentation, ce courant alimente les appareils de terrain. Les signaux de transmission sont générés par l’équipement émetteur par modulation de +/- 9 mA du courant de base.

Figure 113 : Câblage et terminaison de bus de la liaison RS485 sur PROFIBUS L’exploitation d’un réseau PROFIBUS en zone dangereuse exige l’homologation et la certification FISCO/CEI 1158-2 de la totalité des équipements utilisés par des organismes habilités tels que PTB, BVS (Allemagne), UL et FM (USA). Si tous ces équipements sont dûment certifiés et si les consignes de sélection de l’alimentation, de la longueur de ligne et des terminaisons de bus sont respectées, la mise en service de PROFIBUS ne nécessite aucun autre agrément. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Formation Exploitation Instrumentation Automatisme Centralisé - DCS Transmission

Numérique, protocole synchrone orienté bit, codage Manchester

Débit

31,25 kbit/s, Mode tension

Sécurisation des données

En-tête, caractères de début et de fin protégés contre les erreurs

Support


Téléalimentation

En option, par les lignes de données

Protection en zone explosible

Mode sécurité intrinsèque (Eex ia/ib) et antidéflagrant (Eex d/m/p/q)

Topologie

Linéaire ou arborescente (ou les deux)

Nombre de stations

32 maxi par segment, 126 au total

Répéteur(s)

4 maxi (extension du réseau)

Table 6 : Principales caractéristiques de la liaison CEI1158-2 Conseils pratiques d’installation Le poste de conduite et de supervision héberge en général le système de pilotage du procédé ainsi que les outils d’exploitation et de développement communiquant sur PROFIBUS en RS 485. Sur le terrain, un coupleur de segment ou un Link assure l’adaptation RS 485/CEI 1158-2 et, parallèlement, la télé alimentation des instruments de terrain.

Figure 114 : Télé alimentation des instruments de terrain sur PROFIBUS en transmission CEI1158 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les coupleurs de segment sont des convertisseurs de signaux RS 485/CEI 1158-2, totalement transparents au protocole de bus. Leur utilisation limite néanmoins le débit maximal du segment RS 485 à 93,75 kbit/s. Les links, quant à eux, sont « intelligents ». Ils regroupent l’ensemble des appareils de terrain raccordés au segment CEI 1158-2 en un seul esclave RS 485. Dans ce cas, le débit du segment RS 485 n’est pas limité : d’où la possibilité de mettre en oeuvre des réseaux rapides assurant, par exemple, des fonctions de contrôle commande avec des instruments de terrain connectés sur CEI 1158-2. Support


Section nominale du conducteur

0,8 mm² (jauge 18)

Impédance de boucle

44 Ω/km

Impédance à 31,25 kHz

100 Ω ±20%

Affaiblissement à 39 kHz

3 dB/km

Asymétrie capacitive

2 nF/km

Table 7 : Câble de référence CEI 1158-2 Le réseau PROFIBUS sur CEI 1158-2 accepte des topologies arborescente et linéaire, les deux étant combinables. Dans une topologie linéaire, les stations sont raccordées au câble principal à l’aide de connexions en T. La topologie arborescente, pour sa part, s’apparente à la technique classique d’installation des équipements de terrain. Le câble principal multibrin est remplacé par le câble de bus bifilaire. Le répartiteur de terrain sert toujours à raccorder les appareils et à abriter la résistance de terminaison de bus. Dans un réseau arborescent, tous les appareils reliés au segment de bus sont câblés en parallèle dans le répartiteur. Dans tous les cas de figure, il faut tenir compte des longueurs maximales admissibles des lignes de jonction pour calculer la longueur totale de la ligne. Pour des applications à sécurité intrinsèque, une dérivation ne doit pas dépasser 30 m. Le support de transmission est une paire torsadée blindée. Chaque extrémité du câble principal est équipée d’une terminaison de bus passive, constituée d’un élément RC connecté en série (R = 100 Ω et C = 1 μF). La terminaison de bus est déjà intégrée au coupleur de segment ou au Link. Une inversion de polarité sur des appareils de terrain transmettant en CEI 1158-2 ne nuit pas à la fonctionnalité du bus, ces équipements étant normalement dotés d’un système de détection automatique de polarité.


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Le nombre de stations raccordables à un segment est limité à 32. Ce nombre peut être encore réduit par le mode de protection retenu et l’alimentation sur le bus. Dans le cas de réseaux conçus en sécurité intrinsèque, la tension et l’intensité d’alimentation maximale sont définies dans des limites précises. Même pour des applications sans sécurité intrinsèque, la puissance de l’unité de télé alimentation est limitée. Pour déterminer de façon empirique la longueur maximale de la ligne, il suffit de calculer les exigences en courant des appareils de terrain à raccorder, de choisir l’alimentation, puis d’en déduire la longueur de ligne correspondant au choix du câble. Type

Protection

Tension d’alimentation

Intensité maximale

Puissance maximale

Nombre de stations

I

EEx ia/ib IIC

13,5 V

110 mA

1,8 W

9

II

EEx ib IIC

13,5 V

110 mA

1,8 W

9

III

EEx ib IIB

13,5 V

250 mA

4,2 W

22

IV

Sans sécurité intrinsèque

24 V

500 mA

12 W

32

Table 8 : Alimentations normalisées pour un réseau profibus sur une liaison CEI1158-2

Alimentation

Type I

Type II

Type III

Type IV

Tension d’alimentation

V

13,5

13,5

13,5

24

24

24

Exigences en courant Σ

mA

≤ 110

≤ 110

≤ 250

≤ 110

≤ 250

≤ 500

m

≤ 900

≤ 900

≤ 400

≤ 1900

≤ 1300

≤ 650

m

≤ 1000

≤ 1500

≤ 500

≤ 1900

≤ 1900

≤ 1900

Longeur de ligne pour q = 0,8 mm² (référence) Longeur de ligne pour q = 1,5 mm²

Table 9 : Longueur de ligne sur une liaison CEI1158-2

Type de fibre

Portée

Verre, multimode

Moyenne ( 2 à 3 km)

Verre, monomode

Longue (> 15 km)

Plastique

Courte (< 80 m)

PCS / HCS

Courte (400 m)

Table 10 : Propriétés de la fibre optique L’intensité nécessaire (Σ) est donnée par la somme des courants de base des équipements, de chaque appareil de terrain raccordé au segment choisi, sans oublier une marge supplémentaire de 9 mA par segment destiné au courant de fonctionnement du Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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FDE (Fault Disconnection Equipment), équipement de déconnexion sur défaut qui empêche la paralysie du bus par des appareils défectueux. L’exploitation d’équipements alimentés par le bus et d’équipement alimentés par une source externe est autorisée. Précisons que ces derniers consomment eux-mêmes un courant de base sur le bus, lequel doit être pris en compte dans le calcul du courant d’alimentation maximal disponible.

8.7.3.4. Transmission optique La fibre optique s’impose principalement dans trois cas d’utilisation de PROFIBUS : pour pallier des environnements électromagnétiques perturbateurs, assurer un parfait isolement électrique et augmenter la portée maximale du réseau, à de hauts débits. On distingue plusieurs types de fibre, dont les propriétés varient avec la distance, le coût et l’application envisagée. Les segments PROFIBUS à fibre optique sont conçus en étoile ou en anneau. Certains fabricants proposent des composants PROFIBUS/FO permettant la redondance des liaisons optiques : la défaillance d’une première liaison provoque un basculement automatique sur la seconde. Nombre de fournisseurs proposent également des coupleurs RS 485/FO qui autorisent à tout moment le passage d’un support de transmission à l’autre, dans un même réseau.

8.7.3.5. Méthode d’accès sur profibus Les deux profils de communication de PROFIBUS — DP et FMS — mettent en oeuvre un protocole d’accès uniformisé, géré par la couche 2 du modèle OSI. Appelé Fieldbus Data Link dans la terminologie PROFIBUS, celui-ci se charge également de la sécurisation des données et de la gestion des protocoles et des télégrammes de transmission. La méthode d’accès est assurée par la sous couche MAC (Medium Access Control) qui veille au partage du canal de communication en garantissant qu’une seule station a le droit d’émettre à un instant donné. PROFIBUS répond à deux exigences fondamentales de la méthode d’accès MAC : Assurer que tout automatisme complexe (maître) connecté au réseau dispose d’assez de temps pour effectuer ses tâches de communication dans le délai imparti. Assurer une transmission cyclique, temps réel, extrêmement simple et rapide, entre un automatisme complexe (maître) et les équipements périphériques qui lui sont rattachés (esclaves).


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Pour y parvenir, la méthode d’accès à PROFIBUS est de nature hybride (voir figure suivante) : la communication inter maître repose sur la méthode du jeton, tandis que les échanges entre maîtres et esclaves s’effectuent sur le mode maître esclave.

Figure 115 : La nature hybride de la gestion d’accès à profibus La méthode du jeton, réservée aux échanges entre stations complexes, garantit l’accès de chaque maître au bus, au moins une fois dans un temps donné. En clair, cela signifie que le jeton, télégramme spécial véhiculant un droit de parole de maître en maître, doit être transmis à chaque maître au moins une fois dans une fenêtre temporelle configurable. La méthode maître esclave permet au maître détenant le jeton d’accéder à ses esclaves pour leur envoyer des messages ou, à l’inverse, lire leurs messages. Cette méthode d’accès permet de réaliser : Une configuration maître esclave pure, Une configuration maître maître pure (jeton), Une configuration hybride. On entend par anneau à jeton le chaînage des stations actives formant, par leur adresse sur le bus, un anneau logique, au sein duquel chaque participant passe à son voisin, dans un ordre défini (adresses croissantes), le jeton lui donnant le droit d’émettre ou de passer son tour. Sur réception de ce jeton, toute station active peut assumer le rôle de maître pour une période donnée et dialoguer ainsi avec tous ses esclaves en mode maître esclave et l’ensemble des maîtres en mode maître maître. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Au démarrage du réseau, la sous-couche MAC se charge de déceler les relations logiques entre stations actives et de constituer l’anneau. En cours d’exploitation, elle élimine du réseau les stations actives défaillantes ou arrêtées, et intègre les nouvelles. En outre, elle s’assure que le jeton circule bien d’un maître à l’autre, en respectant l’ordre croissant des adresses. Précisons que le temps de parole d’un maître dépend du temps maximal de rotation du jeton. Autres fonctions essentielles, la MAC détecte les défauts du support de transmission et du récepteur de ligne, ainsi que les erreurs d’adressage (multiple affectation) ou de passage de jeton (multiple possession ou perte du jeton). La couche 2 de PROFIBUS assure enfin la sécurisation des données. Grâce au format de ses télégrammes, elle offre un haut niveau d’intégrité (distance de Hamming de 4), conforme à la norme internationale CEI 870-5-1 (caractères de début et de fin, synchronisation sans glissement, bit de parité, octet de contrôle). La couche 2 de PROFIBUS fonctionne en mode non connecté. La transmission s’effectue d’égal à égal (procédure équilibrée), en mode diffusion générale et diffusion sélective : Dans le mode diffusion générale (broadcast), une station active envoie un message non acquitté à toutes les autres stations, actives ou passives.  ans le mode diffusion sélective (multicast), une station active envoie un D message non acquitté à un groupe prédéfini de stations, actives ou passives. Les profils de communication PROFIBUS utilisent un sous-ensemble des services de la couche 2 (table ci-dessous) qui sont appelés par les couches supérieures au moyen de points d’accès au service (Service Access Point). Dans FMS, ces SAP servent à adresser les relations de communication logiques. Dans DP, chaque SAP remplit une fonction bien définie. Plusieurs SAP peuvent être utilisés en même temps pour toutes les stations actives et passives. Notons que l’on distingue des SAP sources (Source SAP) et des SAP destination (Destination SAP). Service

Fonction

DP

FMS

•

SDA

Emission de données avec acquittement

SRD

Emission et demande de données avec réponse

•

•

SDN

Emission de données sans acquit

•

•

CSRD

Emission et demande de données cycliques avec réponse

•

Table 11 : Les différents services de la couche de sécurisation de données de PROFIBUS (couche2) Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.7.4. Le profil de communication DP DP est destiné aux échanges série rapides, principalement cycliques, entre contrôleurs de cellule (API ou PC) ou systèmes de conduite/supervision et périphérie décentralisée (E/S, variateurs, vannes, transmetteurs de mesure…). Les fonctions de communication correspondantes sont définies par les fonctionnalités de base de DP, normalisées EN 50 170. Celles-ci sont complétées de services de communication évolués, acycliques, destinés au paramétrage, à l’exploitation, à la surveillance et au traitement des alarmes des équipements de terrain intelligents.

8.7.4.1. Fonctions DP de base Le contrôleur de cellule (maître) lit les entrées de ses esclaves et écrit leurs sorties, de façon cyclique. Le temps de cycle du bus doit être inférieur à celui du programme de l’automatisme qui avoisine 10 ms pour de nombreuses applications. Outre ce transfert cyclique de données utilisateur, DP intègre de puissants outils de diagnostic et de mise en service, assortis de fonctions de surveillance, côtés maître et esclave Méthode d’accès : Passage de jeton entre maîtres et mode maître-esclave entre maître et esclaves Possibilité de configuration monomaître ou multimaître Nombre maxi de stations su le bus : 126 (maîtres et esclaves confondus) Communication : Procédure équilibrée (transmission des données utilisateur) ou multidiffusion (commandes) Transmission cyclique des données utilisateur entre maître et esclaves Mode d’explitation : Operate : Transfert cyclique d’entrées / sorties Clear : Lecture des entrées et maintien des sorties en sécurité Stop : Diagnostic et paramétrage (pas de transmission de données utilisateur) Synchronisation : Les commandes permettent la synchronisation des entrées et des sorties Mode Synchro : synchronisation des sorties Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Mode Freeze : Synchronisation des entrées Fonctionnalités : Transfert cyclique des données utilisateur entre maître et esclave(s) DP Connexion ou déconnexion dynamique de chaque esclave Contrôle de la configuration des esclaves Puissantes fonctions de diagnostic sur 3 niveaux hiérarchiques Synchronisation des entrées et / ou des sorties Possibilité d’adressage des esclaves sur le bus (option) Maximum de 244 octets d’entrées et de sorties par esclave Sécurisation des données : Distance de Hamming = 4 Au niveau de l’esclave DP, détection par chien de garde d’une défaillance du maître correspondant Protection de l’accès aux entrées / sorties des esclaves Surveillance de la transmission des données utilisateur par minuterie de surveillance réglable au niveau du maître Types d’équipement : Maître DP de classe 2 (DPM2) : outil de développement ou de diagnostic Maître DP de classe 1 (DPM1) : contrôleur de cellule (API, PC, …) Esclave DP : appareil de terrain (E/S TOR ou analogiques, commande de moteur, vanne, …)

8.7.4.2. Caractéristiques fondamentales La course au débit n’est pas le seul critère de succès d’un bus de terrain. Simplicité d’installation et d’exploitation, diagnostic de qualité et immunité aux parasites sont parmi les priorités de l’utilisateur. Le profil DP possède tous ces attributs. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Vitesse DP ne met qu’environ 1 ms (à 12 Mbit/s) pour transmettre 512 bits d’entrée et 512 bits de sortie à 32 stations déportées. La transmission des entrées/sorties en un seul cycle de message explique la supériorité de DP sur FMS en matière de vitesse. Dans DP, les données utilisateur sont transmises avec le service SRD de la couche 2. Diagnostic Les puissantes fonctions de diagnostic de DP permettent de localiser rapidement les défauts, à l’aide de messages dédiés, émis sur le bus et rapatriés au maître. On distingue trois niveaux de message : Diagnostic de station : Renseigne sur l’état global d’une station (surchauffe ou baisse de tension, par ex.). Diagnostic de module : Signale l’attente d’un diagnostic sur une gamme donnée d’E/S (module de sorties 8 bits, par ex.) d’une station. Diagnostic de voie : Précise la cause du défaut sur un bit (ou voie) d’E/S (court-circuit sur sortie n° 7, par ex.).

8.7.4.3. Configuration du système et types d’équipements DP peut fonctionner en mode mono maître ou multi maître, d’où sa grande souplesse de configuration. Un bus dessert un maximum de 126 équipements, maîtres ou esclaves. Les spécifications de configuration du réseau définissent le nombre de stations, l’affectation des adresses de station par rapport aux adresses d’E/S, la cohérence des données d’E/S et le format des messages de diagnostic ainsi que les paramètres du bus.

Figure 116 : Temps de cycle du bus dans une configuration mono maître Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Chaque réseau DP peut héberger trois types d’équipement : Maître DP de classe 1 (DPM1) : Il s’agit d’un contrôleur de cellule (PLC ou PC) échangeant périodiquement des informations avec les esclaves déportés, dans un cycle de message paramétré. Maître DP de classe 2 (DPM2) : C’est un outil de développement, de configuration ou de conduite, qui sert à la mise en service, à la maintenance et au diagnostic du réseau : paramétrage des équipements raccordés, analyse des valeurs de mesure et des paramètres et demande d’informations sur l’état de fonctionnement des équipements.

Figure 117 : Le réseau DP en configuration mono maître Esclave C’est un organe périphérique (bloc d’E/S, variateur, IHM, vanne, transmetteur de mesure) qui, en entrée, collecte des informations et, en sortie, les envoie aux périphériques. On trouve aussi dans cette catégorie des appareils ne fournissant que des entrées ou que des sorties. Le volume des E/S dépend du type d’équipement. Un réseau DP autorise un maximum de 244 octets d’entrées et 244 octets de sorties. En configuration mono maître, un seul maître détient le bus durant l’exploitation du réseau : le contrôleur orchestre les échanges avec les esclaves déportés via le support de transmission. Cette configuration garantit un temps de cycle ultracourt. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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En multi maître, plusieurs maîtres se partagent le bus. Il peut s’agir soit de sous réseaux indépendants, chacun constitué d’un maître DPM1 et de ses esclaves, soit d’équipements de configuration et de diagnostic supplémentaires. Les entrées sorties des esclaves peuvent être lues par tous les maîtres DP. Néanmoins, un seul maître (plus précisément, le DPM1 désigné lors de la configuration) peut accéder en écriture aux sorties.

8.7.4.4. Comportement du système La spécification DP s’accompagne d’une description minutieuse du comportement du système pour garantir l’interchangeabilité des équipements. Ce comportement est en priorité conditionné par l’état de fonctionnement du maître DPM1.

Figure 118 : Les deux trames de transmission cyclique de données utilisateur dans DP DPM1 peut être commandé soit en local, soit via le bus par l’outil de configuration. On distingue trois principaux états : Stop : Il n’y a pas de transmission entre DPM1 et les esclaves. Clear : DPM1 lit les entrées des esclaves et maintient leurs sorties en sécurité positive. Operate : DPM1 est en phase de transfert. En transmission cyclique, il procède à la lecture des entrées et à l’écriture des sorties des esclaves. DPM1 envoie périodiquement son état à tous les esclaves qui lui sont rattachés, à l’aide d’une commande de multi diffusion, selon une périodicité paramétrable. La réaction automatique du système à une erreur au cours du transfert de DPM1 (défaillance d’un esclave, par ex.) est déterminée par le paramètre de configuration auto-clear. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Si celui-ci est vrai, DPM1 bascule les sorties de tous ses esclaves en sécurité positive dès que l’un d’eux n’est plus en mesure de transmettre de Clear. Si auto-clear est faux, DPM1 reste opérationnel (Operate) même en cas de défaut, et c’est l’utilisateur qui spécifie la réaction du système.

8.7.4.5. Transmission cyclique de données entre DPM1 et esclaves La transmission de données entre DPM1 et ses esclaves est automatiquement prise en charge par DPM1, dans un ordre défini et répétitif. Lors de la configuration du bus, l’utilisateur précise l’affectation d’un esclave au DPM1 et indique les esclaves à intégrer ou à retirer de la transmission cyclique. Cette transmission se déroule en trois temps : paramétrage, configuration et transfert des données. Au cours des deux premiers, chaque esclave DP compare sa configuration réelle à sa configuration théorique : type d’équipement, format, longueur de l’information et nombre d’E/S doivent concorder. L’esclave peut alors passer à la phase de transfert. Ces contrôles visent à fiabiliser la protection contre les erreurs de paramétrage. Outre le transfert des données, automatiquement exécuté par DPM1, un nouveau paramétrage peut être envoyé aux esclaves sur demande de l’utilisateur.

8.7.4.6. Mode synchro et freeze DPM1 ne se contente pas d’exécuter automatiquement le transfert des données utilisateur d’une station. Il peut aussi envoyer des commandes à un seul esclave, à un groupe d’esclaves ou à la totalité des esclaves en même temps (multi diffusion). Ces commandes utilisent deux modes, synchro et freeze, pour assurer la synchronisation sur événement des esclaves. Lorsqu’ils reçoivent de leur maître une commande de synchronisation, les esclaves sont en mode synchro. Les sorties de tous les esclaves adressés sont gelées dans leur état présent. Au cours des transmissions suivantes, les données de sortie sont stockées dans les esclaves, sans modification de leur état. Ces données ne sont pas envoyées aux sorties tant qu’une nouvelle commande de synchronisation n’est pas reçue du maître. Le mode synchro prend fin sur une commande de désynchronisation Unsync.


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De même, une commande Freeze provoque le gel de tous les esclaves adressés ; l’état des entrées est alors gelé, avec la valeur en cours. Ces données ne sont pas rafraîchies tant que le maître n’envoie pas de nouvelle commande de freeze. Le mode freeze prend fin sur une commande de dégel Unfreeze.

8.7.4.7. Fonctions DP étendues Ces fonctions, indépendantes des échanges de données utilisateur cycliques, autorisent la transmission acyclique de fonctions de lecture/écriture et d’alarmes entre maître et esclaves. Cela permet d’utiliser, par exemple, un outil de développement (DPM2) pour optimiser les paramètres des esclaves raccordés ou connaître l’état des appareils de terrain sans perturber le fonctionnement du réseau. Grâce à ces extensions, DP répond aux exigences de matériels complexes devant souvent être reparamétrés en cours d’exploitation. Á l’heure actuelle, ces fonctions étendues servent surtout à l’exploitation en ligne des instruments de terrain PA par des outils de développement. La transmission des données acycliques, non prioritaire, s’effectue parallèlement au transfert rapide des données cycliques. Il faut toutefois ménager au maître le temps nécessaire pour mener à bien ces services acycliques, ce qui doit être pris en compte dans le paramétrage du réseau. Pour cela, l’outil de paramétrage augmente normalement le temps de rotation du jeton pour que le maître puisse cumuler transmissions cyclique et acyclique. Les fonctions DP étendues, facultatives, sont compatibles avec les fonctions de base DP. Les équipements existants qui peuvent s’en dispenser reste exploitables, ces extensions ne faisant que compléter les fonctions de base.

8.7.4.8. Adressage des données par numéro d’emplacement et d’index Pour adresser les données, PROFIBUS perçoit les esclaves comme des briques de base physiques ou les découpe en modules fonctionnels logiques. Ce modèle vaut également, dans les fonctions DP de base, pour la transmission cyclique où chaque module possède un nombre constant d’octets d’entrées et/ou de sorties dont la position de transmission dans le télégramme des données utilisateur reste fixe. L’adressage s’appuie sur des identificateurs qui caractérisent le type de module (entrée, sortie ou entrée/sortie), l’ensemble de ces identificateurs constituant la configuration d’un esclave, elle aussi contrôlée par DPM1 au démarrage du réseau. Les services acycliques se fondent également sur ce modèle. Tous les blocs de données validés en lecture ou en écriture sont aussi considérés comme appartenant aux modules. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Ces blocs peuvent être adressés par numéro d’emplacement et par index, le numéro d’emplacement repérant le module, et l’index, les blocs de données rattachés au module. Précisons que la longueur maximale d’un bloc de données est de 244 octets. Sur des appareils modulaires, chaque module reçoit un numéro d’emplacement, partant de 1 et suivant l’ordre croissant d’implantation des modules dans l’équipement. Le numéro 0 est, quant à lui, réservé à l’équipement lui-même. Les appareils compacts sont traités comme un seul ensemble de modules virtuels, soumis au même principe d’adressage (n° d’emplacement + index). Le champ Longueur de la demande de lecture/écriture permet de lire ou d’écrire des portions de bloc de données. Si l’accès au bloc réussit, l’esclave renvoie une réponse de lecture ou d’écriture positive ; s’il échoue, l’esclave émet une réponse négative, précisant la classe de problème rencontrée.

8.7.4.9. Transmission acycliques de données entre maître DPM1 et esclaves

Figure 119 : Principe d’adressage des données en transmission acyclique dans DP


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Il existe cinq fonctions de transmission acyclique entre contrôleur de cellule (DPM1) et esclaves : MSAC1_Read : Lecture par DPM1 d’un bloc de données de l’esclave. MSAC1_Write : Écriture par DPM1 d’un bloc de données dans l’esclave. MSAC1_Alarm : Transmission d’une alarme de l’esclave au maître, avec acquittement de ce dernier ; ce n’est qu’après réception de cet acquit que l’esclave peut envoyer un nouveau message d’alarme. Il n’est donc jamais possible d’écraser une alarme MSAC1_Alarm_Acknowledge : Envoi par DPM1 de son acquittement de réception d’alarme à l’esclave désigné. MSAC1_Status : Transmission d’un message d’état de l’esclave au maître, mais cette fois, sans acquittement de ce dernier : il peut donc y avoir écrasement des messages d’état. Le transfert s’effectue en mode connecté sur une liaison MSAC1, établie par DPM1. Celle-ci étant très étroitement liée à la connexion assurant la transmission cyclique de données entre DPM1 et esclaves, elle ne peut être exploitée que par le maître ayant également paramétré et configuré l’esclave en question.

8.7.4.10. Transmission acycliques de données entre maître DPM2 et esclaves Il existe cinq fonctions de transmission acyclique entre outil de développement et de conduite (DPM2) et esclaves : MSAC2_Initiate et MSAC2_Abort : Établissement et libération d’une liaison de transmission acyclique entre DPM2 et esclave. MSAC2_Read : Lecture par DPM2 d’un bloc de données de l’esclave. MSAC2_Write : Écriture par DPM2 d’un bloc de données dans l’esclave. MSAC2_Data_Transport : Écriture par DPM2 de données dans l’esclave et, au besoin, lecture des données de l’esclave au cours du même cycle de service. (La signification des données est propre à l’application et définie dans les profils.) Le transfert s’effectue en mode connecté par une liaison MSAC2, établie au préalable par DPM2 à l’aide du service MSAC2_Initiate. Les services MSAC2_Read, MSAC2_Write et MSAC2_Data_Transport sont alors opérationnels. Au terme du transfert, la liaison est libérée par DPM2 à l’aide du service MSAC2_Abort. En règle générale, un esclave a la possibilité de maintenir actives plusieurs liaisons MSAC2 à la fois. Le nombre de liaisons activées simultanément est fonction des ressources de l’esclave et du type d’équipement mis en oeuvre. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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La transmission acyclique obéit à une séquence prédéfinie de tâches, décrites ci-après avec le service MSAC2_Read. Le maître commence par adresser une demande de lecture MSAC2_Read à l’esclave, dans laquelle les données requises sont repérées par leur numéro d’emplacement et leur index. Sur réception de cette demande, l’esclave est prêt à délivrer l’information souhaitée. Le maître envoie alors des télégrammes de scrutation périodiques pour rapatrier ces données de l’esclave. Ce dernier y répond par un bref acquittement, sans émettre les données demandées tant qu’il ne les a pas traitées. La demande suivante de scrutation du maître est satisfaite par une réponse MSAC2_Read qui autorise la lecture et la transmission au maître des données de l’esclave. La transmission est soumise à une surveillance temporelle. L’intervalle de surveillance est indiqué par le service DDLM_Initiate, à l’établissement de la liaison. Si le contrôleur de la liaison détecte un défaut, celle-ci est automatiquement libérée côté maître et côté esclave. Elle peut ensuite être rétablie ou utilisée par un autre partenaire de communication. Les SAP 40 à 48 de l’esclave et le SAP 50 du DPM2 sont réservés à la liaison MSAC2.

8.7.5. Le profil de communication FMS FMS est réservé à la communication évoluée au niveau cellule, c’est-à-dire au dialogue entre automatismes (PLC et PC) ; il privilégie la richesse fonctionnelle et non les temps de réponse. Sa couche application (couche 7 du modèle OSI) est constituée de : la messagerie FMS (Fieldbus Message Specification), l’interface LLI (Lower Layer Interface). Le profil de communication FMS permet d’unifier des processus d’application répartis en un processus commun au moyen de relations de communication. La partie d’une application, au sein d’un appareil de terrain, accessible à la communication constitue un équipement de terrain virtuel ou VFD (Virtual Field Device). La figure 13 met en relation l’appareil réel et son homologue virtuel ; ici, seules certaines variables (quantité d’éléments, taux de défaillance, temps d’indisponibilité) font partie du VFD et sont accessibles en lecture/écriture via les deux relations de communication. Notons que les variables Consigne et Recette ne sont pas prises en compte par FMS. Tous les objets de communication d’un appareil FMS figurent dans le dictionnaire d’objets (Object Dictionary) qui renferme la description, la structure et le type de données, ainsi que la relation entre les adresses internes des objets de communication et leur désignation sur le bus (index/nom). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les objets de communication statiques apparaissent dans le dictionnaire des objets statiques. Configurés une fois pour toutes, ils ne sont pas modifiables en cours d’exploitation. FMS distingue cinq types d’objet de communication : Variable simple Tableau (suite de variables simples de même type) Structure (suite de variables simples de divers types) Domaine Événement (message d’événement) Les objets de communication dynamiques sont saisis dans la partie dynamique du dictionnaire d’objets. Ils sont modifiables en cours d’exploitation. L’adressage logique est la méthode d’adressage privilégiée des objets. L’accès effectue par une adresse courte (index), constituée d’un nombre non signé de 16 bits. A chaque objet correspond un index. En option, les objets peuvent aussi être adressés par leur nom. Les objets de communication peuvent également être protégés des accès non autorisés (protection d’accès) ou l’accès à un objet peut être restreint à certains services (lecture seule).

Figure 120 : Équipement de terrain virtuel (VFD) et dictionnaire d’objets (OD) Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.7.5.1. Services FMS Ensemble de la messagerie industrielle MMS (Manufacturing Message Specification, ISO 9506), optimisée pour les applications réseau de terrain et enrichie de fonctions d’administration des objets de communication et de gestion du réseau. On distingue deux types de service : Les services confirmés, réservés à la communication en mode connecté, Les services non confirmés également utilisables en mode non connecté (diffusion générale et sélective), avec deux niveaux de priorité (prioritaires ou non).

Figure 121 : Récapitulatif des services FMS et exécution d’un service confirmé Les services FMS se répartissent en sept groupes : Gestion du contexte : établissement et libération de liaisons logiques. Accès aux variables : accès aux variables, structures, tableaux ou listes de variables. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Gestion du domaine : transmission de vastes zones mémoire. Les données sont divisées en segments par l’utilisateur. Gestion des appels de programme : contrôle du programme. Gestion des événements : transmission des messages d’alarme, en diffusion générale ou sélective. Support VFD : identification de l’équipement et demande d’état. Ces services peuvent aussi être envoyés spontanément à la demande d’un équipement, en diffusion générale ou sélective. Gestion du dictionnaire OD : accès en lecture/écriture au dictionnaire d’objets.

8.7.5.2. Interface LLI L’adaptation de la couche 7 à la couche 2 incombe à l’interface LLI qui se charge notamment du contrôle de flux et de la surveillance de la liaison. L’utilisateur dialogue avec les autres processus sur des voies logiques appelées relations de communication. LLI fournit plusieurs types de relations de communication pour l’exécution des services FMS et de gestion. Ces relations de communication offrent diverses possibilités de connexion (surveillance, transmission et demande aux partenaires de communication). Les relations de communication en mode connecté représentent une connexion logique d’égal à égal entre deux processus applicatifs. Toute transmission doit commencer par l’établissement de la liaison avec le service Initiate. Si cette étape réussit, la liaison est protégée des accès non autorisés et prête à transmettre. Lorsqu’elle ne sert plus, elle est libérée par le service Abort. L’interface LLI autorise un contrôle temporel de la liaison en mode connecté Ces relations de communication se caractérisent également par les attributs de liaison ouverte et définie. Dans une liaison définie, le partenaire de la communication est précisé à la configuration ; dans une liaison ouverte, il reste indéfini tant que la liaison n’est pas établie. Les relations de communication en mode non connecté permettent à un équipement de dialoguer avec plusieurs stations à la fois, au moyen de services non confirmés. En diffusion brodcast, un service FMS non confirmé est envoyé en même temps à toutes les autres stations ; en diffusion multicast, il est émis vers une famille prédéfinie de stations. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Toutes les relations de communication d’un équipement FMS sont recensées dans la liste CRL (Communication Relationship List). Pour des appareils simples, celle-ci est prédéfinie par le constructeur ; pour des appareils complexes, elle est configurée par l’utilisateur. Chaque relation de communication est identifiée par une brève référence de communication locale (Communication Reference). Vue du bus, cette référence CR se définit par une adresse station, le SAP de la couche 2 et le SAP de l’interface LLI. La liste CRL donne la relation entre la référence CR et l’adresse de la couche 2 et de LLI. En outre, elle indique, pour chaque CR, les services FMS accessibles, la longueur des télégrammes…

8.7.5.3. Gestion du réseau Des fonctions optionnelles de gestion de réseau, baptisées FMA7 (Fieldbus MAnagement Layer 7), viennent compléter les services FMS. Elles autorisent une configuration centralisée et peuvent être lancées localement ou à distance. Elles se répartissent en trois groupes : Gestion du contexte : établissement et libération d’une liaison FMA7. Gestion de la configuration : accès aux CRL, aux variables, aux comptages statistiques et aux paramètres des couches 1 et 2 ; identification et enregistrement des stations. Gestion des défauts : indication des défauts et des événements ; réinitialisation des équipements. La garantie d’un accès uniforme pour les outils de configuration s’obtient par spécification de la liaison de gestion des défauts. Pour chaque équipement acceptant les services FMA7, en tant que répondeur, il faut saisir, dans la liste CRL, une liaison de gestion des défauts référencée CR = 1.

8.7.6. Les profils applicatifs Les profils applicatifs de PROFIBUS ont pour objet de décrire l’emploi des profils de communication et des profils physiques dans certaines applications (automatisation des procédés et GTB) ou pour des types précis d’équipements (codeurs, variateurs…).

8.7.6.1. Automatisation des procédés (PA) L’emploi de PROFIBUS dans le domaine du process est défini par le profil PA. PA exploite le support de transmission normalisé CEI 1158-2, dans le cas d'instrument 4 fils (sans télé alimentation), le support RS485 peut être une alternative. Il définit le paramétrage et le Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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comportement d’instruments de terrain tels que transducteurs et positionneurs, indépendamment du constructeur, ce qui facilite l’interchangeabilité et la totale indépendance de ces équipements vis-à-vis de leur fournisseur. La description des fonctionnalités et du comportement de l’instrument de terrain repose sur le modèle de bloc de fonctions, conforme à la normalisation internationale. Ces atouts permettent à PROFIBUS de s’ériger en alternative économique à la transmission analogique 4-20 mA ou numérique Hart. PROFIBUS-PA permet également la mesure et la régulation en boucle fermée d’applications de process sur une simple ligne bifilaire, sans oublier la maintenance et la connexion/déconnexion des équipements en service, même en zone dangereuse. Né d’une collaboration étroite avec des utilisateurs de l’industrie des procédés (NAMUR), le profil PA répond aux quatre grandes exigences du secteur : Mise en oeuvre de profils applicatifs normalisés, dédiés automatismes de process, et interchangeabilité d’équipements industriels hétérogènes. Ajout et retrait de stations du bus, même dans des zones à sécurité intrinsèque, sans perturber les autres stations. Télé alimentation par le bus des transmetteurs de mesure, sur une même paire de fils selon CEI 1158-2. Utilisation en zone explosible avec deux modes de protection : à sécurité intrinsèque (EEx ia/ib) ou antidéflagrant (EEx d).

Figure 122 : Exemple de réseau profibus adapté à l’industrie des procédés Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.7.6.2. La communication sur PA L’implantation de PROFIBUS dans l’industrie des procédés permet de réduire de plus de 40 % les coûts d’étude, de câblage, de mise en service et de maintenance, tout en offrant une grande richesse fonctionnelle et une sécurité accrue des données. La figure ci-après résume les différences entre l’approche classique du câblage en fil à fil 4-20 mA et un réseau PROFIBUS. Les instruments de terrain installés en zone dangereuse sont connectés sur PROFIBUS par une liaison CEI 1158-2 qui assure à la fois la transmission des données et la télé alimentation, sur deux fils. Le passage en zone saine (PROFIBUS DP sur RS 485) est réalisé au travers d'un coupleur de segment ou à un link. Contrairement au câblage traditionnel qui impose de tirer une ligne pour chaque signal entre l'instrumentation et la carte d'E/S du système de contrôle commande (PLC, DCS), les données de plusieurs équipements sur PROFIBUS sont acheminées sur un seul câble. De même, si les solutions classiques de câblage exigent une alimentation (antidéflagrante, si nécessaire) pour chaque signal, sur PROFIBUS, le coupleur de segment ou la liaison assure cette fonction indistinctement pour de multiples appareils.

Figure 123 : Comparaison entre les deux solutions de câblage : fil à fil 4-20mA et réseau PROFIBUS PA Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Selon les risques d’explosion et la consommation électrique des instruments de terrain, il est possible de raccorder de 9 (Eex ia/ib) à 32 (non ex) instruments de mesure sur un seul coupleur de segment ou liaison ; l’économie porte donc non seulement sur le câblage, mais aussi sur les modules d’E/S du système qui sont remplacés par l’interface PROFIBUS. C’en est fini des sectionneurs et autres protections, plusieurs transmetteurs pouvant être alimentés par une seule source. La transmission des mesures et de l’état des instruments de terrain PA s’effectue de façon cyclique et prioritaire entre le système (DPM1) et les transmetteurs de mesure, et reprend les fonctions de base du bus rapide DP ; la valeur de mesure instantanée et son état sont donc en permanence à jour et accessibles à l’automatisme DPM1. Par ailleurs, les paramètres de visualisation, d’exploitation, de maintenance et de diagnostic de l’équipement sont transmis par l’outil de développement (DPM2), à l’aide des fonctions acycliques non prioritaires de DP sur une liaison MSAC2.

Les aspects applicatifs du profibus PA Outre ces critères liés à la communication, le profil PA comporte également certaines définitions applicatives, telles que le type de données et l’unité de la valeur de mesure transmise, ainsi que la signification de sa valeur d’état. Les spécifications de l’unité et la signification des paramètres de l’instrument (plage de mesure haute/basse) sont indépendantes du fournisseur. Pour faciliter la mise en service, il est également possible de simuler ces valeurs dans le transmetteur de mesure.

Figure 124 : Représentation graphique des paramètres d’un transmetteur de pression en PROFIBUS PA Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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L’utilisateur peut alors substituer à la valeur réelle une valeur de mesure fictive, saisie avec l’outil de développement, puis transmise au système. Cette démarche facilite la simulation des états critiques d’une usine et assiste le personnel chargé de sa mise en service par étapes. Le comportement de l’équipement est décrit en spécifiant des variables normalisées qui donnent le détail des propriétés des transmetteurs de mesure. La figure ci-après illustre le principe d’un transmetteur de pression décrit avec le bloc de fonction Entrée analogique. Le profil PA se compose d’une spécification générale contenant les définitions applicables à l’ensemble des instruments de terrain et de fiches techniques équipements renfermant des informations propres à chaque type d’instrument. Ce profil convient à la description d’appareils se résumant à une seule variable mesurée (monovariable) comme aux appareils multifonctions dotés de plusieurs variables (multivariables). Les fiches équipements du profil PA actuel couvrent la totalité des transmetteurs de mesure les plus courants : Capteurs de pression et de pression différentielle Capteurs de niveau, de température, de débit Entrées et sorties analogiques et TOR Vannes, positionneurs Analyseurs

Les blocs de fonction PA PROFIBUS-PA garantit l’interchangeabilité et l’interopérabilité des instruments de terrain multi constructeurs. Pour décrire les fonctions et les paramètres de l’équipement, il s’appuie sur un modèle de blocs de fonctions universellement reconnu par le marché. Ces blocs représentent diverses fonctions utilisateur : Entrée analogique, Sortie analogique… Orientés application, ils sont complétés de deux blocs davantage axés sur l’équipement : le Bloc physique et le Bloc transmetteur. Les paramètres d’entrée et de sortie des blocs de fonctions peuvent être reliés par le bus et raccordés à une application d’ingénierie du procédé.


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Paramètre

Lecture

Ecriture

OUT

•

PV_SCALE

•

•

PV_FTIME

•

•

ALARM_HYS

•

•

HI_HI_LIM

•

•

HI_LIM

•

•

LO_LIM

•

•

LO_LO_LIM

•

•

HI_HI_ALM

•

Fonction Lecture de la valeur de la variable du procédé et de son état Mise à l’échelle des variables du procédé (seuil inférieur et supérieur de la plage de mesure, unités de mesure et nombre de décimales) Constante d’intégration de la sortie du bloc de fonction (en secondes) Hystérésis des fonctions d’alarme (% de la plage de mesure) Seuil d’alarme très haut ; en cas de dépassement, les bits d’alarme et d’état passent à 1 Seuil d’avertissement haut ; en cas de dépassement, les bits d’avertissement et d’état passent à 1 Seuil d’avertissement bas ; en cas de dépassement, les bits d’avertissement et d’état passent à 1 Seuil d’alarme très bas ; en cas de dépassement, les bits d’alarme et d’état passent à 1 Etat du seuil d’alarme très haut avec datation

HI_ALM

•

Etat du seuil d’avertissement haut avec datation

LO_ALM

•

Etat du seuil d’avertissement bas avec datation

LO_LO_ALM

•

Etat du seuil d’alarme très bas avec datation

Table 12 : Les paramètres du bloc fonction Entrée Analogique Bloc physique : C’est la fiche d’identité de l’équipement : désignation, fabricant, version et numéro de série. Bloc transmetteur : Contient des données propres à l’application, comme les paramètres de réglage. Entrée analogique : Lit la valeur mesurée par le capteur, ainsi que son état et la mise à l’échelle. Sortie analogique : Fournit à la sortie analogique la valeur donnée par le système. Entrée TOR : Fournit au système la valeur de l’entrée TOR. Sortie TOR : Fournit à la sortie TOR la valeur donnée par le système. Toute application comporte plusieurs blocs de fonctions, intégrés dans les instruments de terrain par le constructeur et accessibles par la communication et les outils de développement. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.7.6.3. Profil de sécurité Le profil sécurité PROFISafe (n° 3.092) définit le raccordement d’équipements à sécurité intrinsèque (arrêts d’urgence, barrières immatérielles, verrouillages) à des automatismes programmables sur PROFIBUS. Le domaine particulier de la sécurité, dont la plupart des constituants était jusqu’ici raccordés en fil à fil, peut ainsi bénéficier des multiples atouts d’une communication ouverte sur PROFIBUS. Version sécurisée de PROFIBUS, PROFISafe s’est développé selon deux grands objectifs : réduire les coûts de câblage et satisfaire aux exigences d’un large éventail d’applications dans les industries manufacturières et de process. Les équipements opérant sous PROFISafe sont donc en mesure de fonctionner sans limite, en parfaite harmonie avec des équipements standard, sur un même câble. Basé sur le profil DP, PROFISafe accepte les transmissions RS 485, fibre optique ou CEI 1158-2. PROFISafe offre également deux avantages décisifs : dans le manufacturier, une très grande réactivité héritée de DP et, dans le process, l’absence d’alimentation supplémentaire pour les instruments de terrain PA. Il s’agit donc d’une solution logicielle qui regroupe communication de sécurité et transmission standard sur une seule voie, sans aucun autre câblage spécifique.

Figure 125 : PROFISafe : la sécurité sur le réseau Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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PROFISafe prend en compte toutes les erreurs qui pourraient s’infiltrer dans la transmission série standard (répétition, perte, insertion, erreur de séquence, retard, mascarade, corruption des données et défaut d’adressage). Mieux encore, il définit des mécanismes de sécurité complémentaires qui vont bien au-delà des simples détection et correction d’erreur de la gestion d’accès PROFIBUS. Une judicieuse sélection et un subtil dosage des mesures de sécurité disponibles (numérotation des trames, surveillance temporelle avec acquittement, identification source destination, contrôle de redondance cyclique et « moniteur SIL » breveté) permettent d’atteindre des niveaux de protection normalisés SIL3 ou AK6 et conformes à la catégorie 4 de la norme EN 954-1. De surcroît, PROFISafe a remporté l’adhésion des organismes TÜV et BIA. Enfin, précisons que les fabricants d’équipements à sécurité intrinsèque peuvent compter sur un pilote logiciel implémentant toutes les définitions du profil PROFISafe.

8.7.6.4. Profil d’équipements Basés sur le profil de communication DP, ces profils applicatifs sont définis pour quatre types d’équipement : Commandes numériques et Robots (n° 3.052) : Ce profil traite de la commande des robots de manipulation et d’assemblage sur DP. Des logigrammes décrivent les mouvements et les commandes du robot sous l’angle de l’automatisme de niveau supérieur. Codeurs (n° 3.062) : Ce profil porte sur le raccordement des codeurs rotatifs, angulaires et linéaires (mono et multi tours) sur DP. Deux classes d’équipement définissent des fonctions de base et des fonctions complémentaires, telles la mise à l’échelle, le traitement des alarmes et le diagnostic. Vitesse variable (n° 3.072) : Ce profil définit le paramétrage des variateurs et la transmission des consignes et des valeurs réelles. Il garantit l’interchangeabilité des variateurs de différentes marques et contient les spécifications nécessaires à la variation de vitesse et au positionnement. Il précise les fonctions de base du variateur tout en laissant le champ libre aux extensions spécifiques à l’application et aux évolutions futures. Interface homme machine (n° 3.082) : Ce profil consacré à l’interface opérateur (IHM) spécifie la liaison, via DP, des équipements de conduite et de supervision avec des constituants d’automatismes de plus haut niveau. Il s’appuie sur les fonctions de communication étendues de DP.


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8.7.7. La configuration et l’identification des équipements Les équipements PROFIBUS se distinguent par leurs performances et leurs fonctionnalités (nombre de signaux d’E/S et de messages de diagnostic) ou par le paramétrage du bus (débit, surveillance temporelle). Ces variantes, selon le type d’équipement et le fournisseur, sont en général renseignées dans le manuel technique. Pour simplifier la configuration de PROFIBUS et la rendre transparente à l’utilisateur (Plug and Play), les caractéristiques de transmission des équipements sont recensées dans des fiches électroniques, intitulées bases de données équipement ou plus simplement fichiers GSD. De puissants outils permettent la configuration d’un réseau PROFIBUS. Basés sur les fichiers GSD, ils facilitent considérablement cette tâche pour des réseaux PROFIBUS fédérant des équipements multi sources.

8.7.7.1. Fichier GSD Rappelons que les caractéristiques de transmission de tout équipement PROFIBUS sont définies dans les fichiers GSD, obligatoirement fournis par le constructeur. Grâce à ces fichiers, la notion d’automatisation ouverte descend réellement sur le terrain, au plus près de l’opérateur posté. Ils peuvent être chargés durant la configuration à l’aide de n’importe quel outil de configuration moderne, ce qui apporte un plus de convivialité et de simplicité à l’intégration d’équipements multi sources au sein de PROFIBUS. Les fichiers GSD donnent un descriptif clair et exhaustif des caractéristiques d’un type d’équipement, dans un format extrêmement précis. Préparés pour chaque type d’équipement par le fournisseur, ils sont proposés à l’utilisateur sous forme électronique. La définition très précise du format de fichier permet à l’outil de configuration d’y puiser automatiquement toute l’information nécessaire à la configuration du bus. L’ingénieur est ainsi dispensé de la fastidieuse pêche à l’information dans les manuels techniques. Même en pleine configuration, les erreurs de saisie sont systématiquement traquées et la cohérence entre les données entrées et la totalité du système est automatiquement vérifiée. Un fichier GSD comporte trois volets : Des spécifications générales mentionnant le nom du fournisseur, la désignation des équipements, les versions matérielle et logicielle, les débits acceptés, la durée des intervalles de surveillance et l’affectation des signaux sur le connecteur de bus.


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Des spécifications réservées exclusivement aux équipements maîtres et recensant tous leurs paramètres : nombre maxi d’esclaves raccordables, possibilités de téléchargement… Des spécifications contenant toutes les caractéristiques des esclaves : nombre et type de voies d’E/S, définition des messages de diagnostic et description des divers constituants d’une machine modulaire… Dans chaque cas, ces paramètres sont séparés par des mots clés. On distingue des paramètres obligatoires (par ex., fournisseur Vendor_Name) et des paramètres facultatifs (mode de synchronisation Sync_Mode_supported). La définition de groupes de paramètres permet de choisir différentes options. Ces paramètres peuvent en outre être reliés à des fichiers point par point contenant les symboles des équipements à intégrer. Le format du GSD garantit une grande souplesse d’exploitation. Constitué de listes (par ex., débits supportés par l’équipement), il ménage assez de place pour décrire les divers constituants d’une machine modulaire. Les messages de diagnostic peuvent aussi s’accompagner de textes en clair. Pour faciliter la tâche des fabricants, la page d’accueil du site Internet de PROFIBUS http://www.profibus.com propose, dans sa rubrique Download, le téléchargement d’un éditeur et d’un contrôleur GSD qui simplifient la réalisation de ces fichiers. De même, les formats de fichier GSD sont décrits dans deux directives PROFIBUS. En outre, les fichiers GSD des équipements PROFIBUS conformes à la normalisation en vigueur sont téléchargeables gratuitement à partir de la rubrique GSD Library de notre page d’accueil Internet.

Figure 126 : Les fichiers GSD facilitent la configuration du réseau Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.7.7.2. Identification de l’équipement Chaque esclave PROFIBUS ou maître DPM1 doit posséder un numéro d’identification ; une règle d’or permettant au maître d’identifier les types d’équipement présents sur le bus, sans alourdir la charge de traitement du protocole. Le maître compare ce numéro à celui figurant dans la configuration. Le transfert des données utilisateur ne peut débuter tant que le bon type d’équipement et la bonne adresse de station n’est pas raccordée au bus. Cette précaution vise à sécuriser le système contre toute erreur de configuration. Les fabricants d’équipement doivent demander ce numéro à l’association PROFIBUS (qui en assure l’attribution et la gestion) pour chaque type d’appareil. Les formulaires correspondants peuvent être obtenus auprès de l’antenne régionale de l’association ou sur le site Internet PROFIBUS. Des numéros d’identification génériques, compris entre 9700H et 977FH, ont été réservés aux instruments de terrain PA. Tous les appareils PA répondant exactement aux définitions de la version 3.0 (ou supérieure) du profil PA doivent donc être numérotés dans cette plage. La définition de ces numéros génériques renforce l’interchangeabilité des instruments de terrain PA. Le choix du numéro à utiliser pour identifier l’équipement concerné dépend du type et du nombre de blocs de fonctions existants. Le numéro 9760H est réservé aux instruments PA offrant plusieurs blocs de fonctions ou multivariables. La désignation des fichiers GSD de ces appareils obéit également à des règles strictes, reprises en détail dans le profil PA.

8.7.7.3. Les fichiers EDD La description électronique de l’équipement ou fichier EDD (Electronic Device Description) recense toutes les propriétés des appareils de terrain PROFIBUS. Elle décrit, dans un langage universel et indépendant du constructeur, des organes simples (capteurs et actionneurs) comme des automatismes complexes. Les fichiers EDD, fournis par le constructeur pour ses équipements, puis lus par les outils de développement, simplifient la configuration, la mise en service et la maintenance des réseaux PROFIBUS. Ils comportent deux volets : Une description des variables et des fonctions de l’appareil, Des précisions sur son exploitation et sa visualisation.


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8.7.8. Les évolutions de PROFIBUS Á l’heure où nous mettons sous presse, l’association des utilisateurs du PROFIBUS travaille autour de deux axes de développement : enrichir PROFIBUS de nouvelles fonctionnalités permettant d’étendre son champ d’action ; faire de PROFIBUS « LE » bus de terrain par excellence, adapté à la quasi totalité des applications industrielles. Il y a quelques années, réaliser des économies de câblage de 40 % grâce aux bus de terrain relevait de l’exceptionnel. Aujourd’hui, cette réussite est monnaie courante. Il s’agit à présent de réduire davantage les coûts de développement et d’élargir l’éventail des applications pour être en mesure d’exploiter un réseau de communication unifié, transparent à l’utilisateur, nécessitant encore quelques bus spécialisés. De nouvelles économies se profilent ainsi à l’horizon (stockage des pièces de rechange, mise en service, formation et maintenance) qui constituent autant de leviers de compétitivité pour nos machines et nos réseaux sur le marché mondial. Un autre constat s’impose : la base installée de PROFIBUS se chiffre aujourd’hui à plus de 3 millions d’équipements ; la compatibilité est donc la condition sine qua non du développement futur du réseau.

8.7.8.1. PROFIBUS et Ethernet Cette innovation porte sur le couplage direct et transparent de PROFIBUS et d’Ethernet. PROFIBUS prend ainsi en compte l’évolution inéluctable de la communication industrielle vers une ouverture et une transparence « verticale » à tous les niveaux de l’entreprise, de la gestion à la production, jusqu’au coeur de l’intelligence déportée. Cette convergence de PROFIBUS et de l’informatique d’entreprise s’échelonnera en trois étapes : Adaptation des services de développement de PROFIBUS au protocole TCP/IP, accès à l’image du procédé, paramétrage, diagnostic et définition de l’interface logicielle correspondante, sur la base d’OPC : en clair, l’utilisateur peut alors configurer et surveiller ses équipements PROFIBUS, installés dans le monde entier, via Ethernet et Internet. Autre conséquence : données du procédé, paramétrage et diagnostic des appareils de terrain sont parfaitement accessibles aux logiciels bureautiques. Routage direct TCP/IP → PROFIBUS : Internet et les standard de l’informatique Microsoft accèdent au terrain. Dans la foulée, des serveurs Web peuvent, par exemple, équiper des appareils de terrain et des systèmes d’exploitation d’origine Microsoft, embarqués sur des appareils complexes, ont accès à des services bien connus.


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Représentation d’équipements de terrain complexes sous forme de systèmes répartis, orientés objet et intégration d’appareils simples, par le biais de serveurs proxy. Cette phase met l’accent sur la coexistence de machines simples et d’automatismes complexes. Des accès banalisés autorisent les services nécessaires à cette cohabitation et concrétisent la fusion de PROFIBUS et d’Ethernet.

Figure 127 : Les trois grandes étapes du rapprochement PROFIBUS – Ethernet

8.7.8.2. La commande d’axes PROFIBUS innove également dans le domaine de la vitesse variable. En partenariat avec de grandes pointures de la variation électronique de vitesse, l’association PROFIBUS veut assurer le pilotage de séquences de mouvements rapides sur PROFIBUS. Ces nouvelles fonctions permettent de réaliser une régulation numérique en boucle fermée avec PROFIBUS qui synchronisera les cycles du logiciel applicatif des automatismes de niveau supérieur, la transmission sur le bus et les cycles du logiciel applicatif des variateurs. Pour satisfaire ces exigences techniques, il faut doter le protocole PROFIBUS de nouvelles fonctions de synchronisation d'horloge et de communication d’esclave à esclave entre variateurs. L’objectif ? Piloter douze axes synchronisés en un temps de cycle de bus inférieur à 2 ms – sans altérer le cycle – pour permettre un accès acyclique des paramètres aux tâches d’exploitation, de surveillance et de développement. Cette évolution trouve sa justification dans l’impossibilité de couvrir jusqu’à présent tous les besoins de la vitesse variable à l’aide d’une seule solution réseau s’appuyant sur les bus de terrain ouverts du marché. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Si, par exemple, le réseau a pour triple vocation de piloter les variateurs, de lire et d’afficher les E/S déportées, ou encore d’assurer la visualisation et l’exploitation, il faut obligatoirement éclater ces fonctions sur plusieurs bus. Les nouvelles fonctionnalités de PROFIBUS dédiées à la commande d’axes permettront aux utilisateurs de ne plus faire appel à des bus spécialisés dans nombre d’applications. La synchronisation d'horloge consistera en un signal d’horloge équidistant sur le bus et cyclique, envoyé par le maître à l’ensemble de ses stations, sous forme de télégramme de commande global. Maître et esclaves pourront alors se caler sur ce signal pour synchroniser leurs applications. Dans le domaine de la variation de vitesse, la transmission synchrone sert de base à la synchronisation des variateurs. Non seulement la communication par télégramme est réalisée sur le bus dans une tranche horaire équidistante, mais les algorithmes de commande internes (commande de vitesse et de courant dans le variateur ou le contrôleur) sont aussi synchronisés au niveau de l’automatisme supérieur. Pour des applications courantes, la gigue du signal d’horloge, de cycle en cycle, doit être inférieure à 1 μs. Des dérives plus importantes sont considérées comme des défauts du cycle et, à ce titre, ignorées. Si l’on omet un cycle, le cycle suivant doit de nouveau se situer dans la tranche horaire. L’horloge du système est réglée par l’utilisateur à la configuration du bus.

Figure 128 : Temps de cycle du bus avec synchronisation horaire Des esclaves simples (E/S déportées, par exemple) peuvent prendre part à ce bus synchrone, sans aucune modification. Grâce aux fonctions Synchro et Freeze , entrées et sorties sont gelées à un instant du cycle et transmises au cycle suivant. La parfaite synchronisation de tous les participants du bus est toutefois soumise à une limitation du nombre de maîtres : un seul DPM1 (l’automatisme) et un seul DPM2 (l’outil de développement). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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La communication d’esclave à esclave, cyclique, est bâtie sur le modèle éditeur/abonné. Des esclaves, déclarés éditeurs, permettent à d’autres esclaves, abonnés du bus, d’accéder en lecture à leurs données. Les esclaves existants qui ne disposent pas encore de ces extensions de protocole peuvent cohabiter sur le même segment de bus avec des variateurs intégrant déjà ces nouvelles possibilités. La définition de ces fonctions et de ces services s’attache aussi à garantir la simplicité et la fiabilité de la mise en oeuvre, à base d’ASIC du commerce, côté maître comme côté esclave. La prise en compte de ces extensions dans la spécification PROFIBUS remonte au début 1999 et la publication du profil PROFIDrive étendu, à fin 1999 ; l’intégration de ces extensions dans DP est au calendrier 2000.

8.7.9. L’avenir du profibus PROFIBUS remporte l’adhésion de plusieurs milliers d’industriels du monde entier, spécialistes de la production et de l’automatisation des procédés. Gains substantiels, flexibilité accrue et disponibilité hors pair sont autant d’atouts qui plaident en sa faveur. Son catalogue de plus de 2 000 produits et services permet aux utilisateurs de sélectionner à tout moment le produit offrant les meilleurs garanties de performance, d’évolutivité et de pérennité pour répondre à leurs exigences d’automatisation. L’évolution technologique de PROFIBUS s’inscrit dans une dynamique de progrès constant : PROFIBUS s’enrichit de nouvelles fonctions naguère réservées à des bus spécialisés. L’utilisateur peut ainsi tirer le meilleur parti de la technologie PROFIBUS pour relever presque tous les défis de la communication industrielle. PROFIBUS fait aujourd’hui l’unanimité dans l’industrie mondiale, comme en atteste sa reconnaissance par la norme internationale sur les bus de terrain CEI 61158.


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8.8. LE PROFINET PROFInet est le nouveau standard de communication créé par PROFIBUS International pour mettre en oeuvre des solutions d’automatisation intégrées et cohérentes, sur Ethernet industriel. En effet, PROFInet sait fédérer sur Ethernet aussi bien des appareils de terrain simples et des applications à temps critique, que des automatismes répartis à base de composants.

8.8.1. Appareils de terrain sur PROFInet IO Les appareils répartis dans l’atelier sont intégrés dans l’architecture PROFInet IO ; celle-ci utilise la vue habituelle des E/S de PROFIBUS DP et ses mécanismes de transfert cyclique des E/S des équipements déportés dans la mémoire image du processus de l’automate. PROFInet IO décrit un modèle d’équipement basé sur les fondements de PROFIBUS DP et comprenant des emplacements et des canaux. Les caractéristiques des appareils de terrain font l’objet d’une fiche électronique de configuration ou fichier « GSD » (General Station Description), en XML. L’étude et la réalisation d’un réseau PROFInet IO n’auront pas de secret pour les intégrateurs PROFIBUS DP, les appareils répartis sur le terrain étant, par configuration, attachés à un automate.

Figure 129 : PROFInet IO et PROFIBUS DP partage la même structure


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8.8.2. Communication PROFInet échelonne la communication sur trois niveaux de performances : Le transfert de données échappant aux contraintes temporelles (paramétrage, configuration et connexions) sur canal standard TCP/UDP et IP. Ce niveau répond aux exigences de raccordement des automatismes aux systèmes informatiques MES/ERP de l’entreprise. La transmission de données process à temps critique, dans le périmètre de l’usine, par canal logiciel temps réel « SRT » (Soft Real Time), résidant dans le contrôleur du réseau. La transmission isochrone temps réel « IRT » (Isochronous Real Time) permettant de synchroniser jusqu’à 100 axes « maîtres » en 1 ms avec une incertitude sur les tops de synchronisation de 1 μs.

8.8.3. Installation du réseau L’installation de PROFInet obéit aux consignes propres aux réseaux Ethernet en milieu industriel. Les constructeurs d’automatismes reçoivent un cahier des charges précis stipulant les exigences en matière d’interfaçage et de câblage des équipements. Le « Guide d’installation PROFInet » renseigne les industriels sur les principales règles d’installation des réseaux Ethernet.

8.8.4. Intégration au paysage informatique La notion de gestion de réseau englobe tous les aspects de l’administration des appareils PROFInet sur Ethernet : configuration des appareils et du réseau, diagnostic du réseau. Pour dialoguer sur le Web, PROFInet s’appuie sur la technologie Ethernet et sur des mécanismes Internet de grande diffusion pour autoriser l’accès aux composants PROFInet. De même, son ouverture aux autres niveaux de la hiérarchie industrielle fait appel aux standards OPC DA et DX

8.8.5. Intégration au bus de terrain L’une des grandes vertus de PROFInet est sa facilité à gérer la transition entre la technologie bus existante (dont PROFIBUS DP) et la solution Ethernet industriel : les Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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constructeurs de machines, d’installations et d’automatismes de même que les utilisateurs finaux y voient un excellent moyen de protéger leurs investissements. PROFInet propose deux méthodes d’intégration, la première concernant les appareils de terrain, et la seconde, l’application entière : Intégration par suppléant appelé « proxy » : l’appareil possédant cette fonctionnalité fédère les esclaves situés en aval du réseau Ethernet. Cette méthode permet de greffer de nouveaux appareils à l’existant, en totale transparence. Intégration d’applications de terrain complètes : chaque segment de bus constitue un composant logiciel autonome, représenté par l’appareil PROFInet en charge d’un réseau de terrain comme PROFIBUS DP ; ici, ce sont les fonctionnalités de tout un réseau qui sont stockées dans le proxy et accessibles sur Ethernet sous forme de composant.

Figure 130 : Intégration PROFIBUS-PROFInet par un serveur proxy


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8.9. PRERIPHERIE DECENTRALISE EN PROFINET PROFInet IO permet l’intégration directe des appareils de terrain sur Ethernet ; pour cela, le modèle producteur/consommateur remplace la méthode d’accès maître esclave de PROFIBUS DP. En matière de communication, tous les constituants d’un réseau Ethernet sont traités de façon démocratique, avec une bande passante partagée de manière égalitaire. La configuration sert néanmoins à définir l’affectation des appareils de terrain à un automatisme centralisé, l’interface utilisateur bien connue de PROFIBUS étant transférée dans les périphériques PROFInet : c’est en effet au niveau de la périphérie décentralisée que les signaux sont lus et transmis à l’automatisme qui les traite, puis renvoie ses sorties.

8.9.1. Équipements et fonctionnalité PROFInet IO distingue trois catégories d’équipements : un contrôleur sur lequel s’exécute le programme automate des périphériques d’E/S rattachés au contrôleur un superviseur, outil de programmation ou PC doté de fonctions de mise en service et de diagnostic.

Figure 131: Les catégories d’équipement PROFInet IO


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Les échanges entre contrôleur et périphériques d’E/S empruntent différents canaux selon le type de données : canal temps réel pour les E/S cycliques et les alarmes ; canal standard UDP/IP pour le paramétrage, la configuration et la lecture des diagnostics. Un échange débute par l’établissement d’une relation d’application (notée « AR ») entre contrôleur et périphérique d’E/S, sur le canal UDP/IP ; celle-ci se subdivise en plusieurs relations de communication (« CR ») assurant le transfert de la configuration, des données d’E/S et des interruptions. Le contrôleur envoie le paramétrage et la configuration des périphériques d’E/S qui lui sont rattachés par la relation de communication « Enregistrement ». La transmission cyclique des E/S utilise pour sa part la relation de communication « E/S » ; enfin, les événements acycliques sont transmis au contrôleur pour acquittement par le biais d’une relation de communication « Alarmes ».

Figure 132 : Relations de communication sur PROFInet entre producteur / consommateur PROFInet distingue cinq catégories d’alarmes : branché et débranché, diagnostic, d’état et mise à jour. Des alarmes constructrices sont également possibles. Toutes ces alarmes peuvent être déclarées prioritaires ou non.

8.9.2. Modèle d’équipement Le périphérique d’E/S PROFInet IO obéit à un modèle d’équipement uniforme permettant la configuration d’appareils de terrain modulaires et compacts. Ce dernier reprend les caractéristiques de PROFIBUS DP et, dans le cas d’équipement modulaire, comprend des Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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emplacements pour l’insertion des modules, lesquels sont pourvus de canaux véhiculant les signaux d’E/S du process. Cette conception modulaire permet d’intégrer à PROFInet l’offre existante de modules d’E/S PROFIBUS DP, sans la moindre modification. Les constructeurs d’appareils et les exploitants ou responsables d’installation préservent ainsi leurs investissements productifs (stock de pièces de rechange, notamment). Figure 133 : Similitude du modèle d’équipement PROFInet IO et PROFIBUS DP Dans l’architecture PROFInet IO, chaque périphérique d’E/S reçoit un identifiant unique de 32 bits, scindé en code constructeur (16 bits) et code appareil (16 bits). Le code constructeur est donné par PROFIBUS International tandis que le code appareil peut être attribué par le constructeur, en fonction de son développement produit.

8.9.3. Périphérique d’E/S Un périphérique PROFInet IO se configure de la même manière que son homologue PROFIBUS DP, c’est-à-dire au moyen d’un fichier de description GSD concentrant toutes les caractéristiques et informations indispensables : Propriétés de l’appareil (paramètres de transmission, par ex.) ; Nombre et type de modules embrochables ; Configuration de chaque module (entrées ANA, par ex.) ; Paramétrage des modules (4-20 mA, par ex.) ; Messages de diagnostic d’erreur (rupture de fil, court-circuit…). Ce fichier GSD est basé sur XML, standard ouvert et très répandu de description des données, qui contribue à la puissance des outils et de leurs propriétés : Création et validation à l’aide d’outils classiques ; Intégration de langues étrangères ; Structure hiérarchique. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le fichier GSD, normalisé ISO 15745, comprend une partie « Appareil » (configuration et paramétrage des modules) et une partie « Communication » (débit, connectique).

Figure 134 : Les 2 étapes de configuration avant l’échange des données entre contrôleur et périphérique E/S sur PROFInet IO

8.9.4. Configuration et échange Le fichier GSD des périphériques d’E/S est d’abord importé dans l’outil de configuration. Chaque canal d’E/S reçoit une adresse de périphérique ; les adresses d’entrée rapatriant les valeurs du processus sont analysées et traitées par le programme d’application, qui crée des valeurs de sortie et les renvoie au processus. C’est aussi à ce niveau que s’effectue le paramétrage de chaque module ou canal d’E/S (plage de courant 4-20 mA d’un canal analogique, par ex.). Au terme de la configuration, ces données sont téléchargées dans le contrôleur qui configure et paramètre automatiquement les périphériques d’E/S, prêts pour la transmission cyclique.

8.9.5. Diagnostiques PROFInet IO offre plusieurs niveaux de diagnostics autorisant une localisation et une suppression efficaces des erreurs. Sur apparition d’une erreur, le périphérique d’E/S incriminé transmet au contrôleur une alarme de diagnostic, qui appelle le sous-programme automate permettant de réagir au défaut. Si le défaut oblige à remplacer un module ou tout l’appareil, le contrôleur se charge automatiquement de paramétrer et de configurer le nouvel équipement. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Les informations de diagnostic ont une structure hiérarchique : N° d’emplacement (module) ; N° de canal ; Type de canal (entrée/sortie) ; Code d’erreur (défaut filerie, court-circuit…) ; Données constructeur. Lorsqu’une erreur survient au niveau d’un canal, le périphérique d’E/S incriminé transmet au contrôleur une alarme de diagnostic, qui déclenche l’appel du sous-programme d’erreur correspondant dans la logique de commande. Ce dernier étant exécuté, le contrôleur acquitte l’erreur dans le périphérique d’E/S. Ce mécanisme garantit le traitement séquentiel de l’erreur dans le contrôleur.

8.9.6. Automatismes répartis Le recours à l’intelligence répartie en automatisation industrielle est un grand progrès dans la construction de machines et d’installations modulaires. C’est pour répondre à cette exigence de modularisation que PROFInet scinde ces équipements en entités autonomes.

8.9.6.1. Composants PROFInet Les composants PROFInet sont donc des fonctions logicielles encapsulées, au standard COM ; ce dernier est une évolution de la technologie objet autorisant le développement d’applications à base de composants prédéfinis, qui sont autant d’entités autonomes interconnectables. Ces composants peuvent librement s’assembler comme des briques logicielles facilement réutilisables, indépendamment de leur programmation et de leurs fonctionnalités internes. L’accès à l’interface technologique du composant obéit à une définition unifiée PROFInet. Granularité des modules technologiques Lorsqu’il s’agit de définir la granularité des modules, il faut tenir compte de leur réutilisabilité dans plusieurs systèmes, sous l’angle des facteurs coût et disponibilité. L’objectif est de combiner ces composants avec un maximum de souplesse, selon le principe de la modularité, pour créer un système complet ; or une granularité trop fine risque de compliquer la vue technologique de l’installation et donc d’alourdir les coûts Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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d’étude. À l’inverse, une granularité trop forte pénalise la réutilisabilité du composant en grevant les coûts de mise en oeuvre. La création des composants logiciels incombe au constructeur de la machine ou de l’installation. La conception du composant joue un rôle décisif dans la réduction des coûts d’ingénierie et de matériel, et sur les caractéristiques temporelles du système d’automatisation. Durant la définition d’un composant, la granularité peut aller du périphérique individuel à la machine complète, équipée d’une multitude de dispositifs.

Figure 135 : PROFInet : un modèle de communication, d’automatisation et d’ingénierie multi constructeur

8.9.6.2. Modèle d’ingénierie PROFInet Pour faciliter la configuration d’un réseau PROFInet, PROFIBUS a adopté une ingénierie indépendante des constructeurs permettant le développement d’outils de configuration capables d’utiliser des composants multi constructeurs ainsi que la spécification d’extensions constructeurs ou utilisateurs. Ce modèle fait une distinction entre la programmation de la logique de commande dans chaque module et la configuration technologique globale de l’installation. La création d’une application couvrant toute l’installation compte trois étapes : Création des composants Les composants logiciels représentant les modules technologiques sont d’abord créés par le concepteur de la machine ou de l’installation. La programmation et Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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la configuration des constituants d’automatismes s’effectuent de la manière habituelle avec les outils des différents constructeurs. Cette continuité permet de réutiliser les programmes applicatifs existants tout en mettant à profit le savoir faire des programmeurs et agents de maintenance de l’entreprise. L’applicatif est ensuite encapsulé dans un composant PROFInet. Cette fonction crée le fichier de description PCD qu’elle importe dans la bibliothèque de l’éditeur de connexions PROFInet.

Figure 136 : Création standardisée de composants sur PROFInet Interconnexion L’éditeur de connexions extrait les composants de sa bibliothèque et les relie pour bâtir l’application, simplement en tirant des traits entre les interfaces d’entrée et de sortie respectives (figure ci-après).

Figure 137 : Paramétrage des communications avec l’éditeur de connexion Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Cette interconnexion rapide des composants met fin à la laborieuse programmation des relations de communication entre appareils intelligents. Au demeurant, elle impose de bien connaître l’intégration et l’enchaînement des fonctions de communication dans l’appareil ; pour cela, il importe de déterminer clairement les équipements appelés à dialoguer, les caractéristiques temporelles de la communication et le bus de terrain emprunté. Toutefois, cette configuration graphique ne demande aucune connaissance des fonctions de communication, celles-ci s’exécutant automatiquement dans les appareils. L’éditeur de connexions trace ainsi chaque application répartie dans l’installation, indépendamment du constructeur, en matérialisant les liaisons entre composants PROFInet. Téléchargement Ces connexions, de même que le code et la configuration des composants, sont ensuite téléchargées dans les appareils PROFInet en un clic de souris. Chaque constituant d’automatisme connaît alors ses partenaires et relations de communication, ainsi que les données à échanger : l’application répartie est opérationnelle.

Figure 138 : Téléchargement des connexions dans les appareils de terrains configurés

8.9.6.3. Fichier PCD Ce fichier XML est créé avec les outils du constructeur, si celui-ci dispose d’un « générateur de composants ». Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le fichier PCD contient des informations sur les fonctions et les objets des composants PROFInet, à savoir : la description des composants sous forme d’éléments de bibliothèque : identifiant et nom du composant ; la description du matériel : adresse IP, accès aux diagnostics, téléchargement des connexions ; la description des fonctions logicielles : affectation logiciel matériel, interface du composant, propriétés des variables, dont le nom technologique, le type et la nature des données (entrée ou sortie) ; la mémoire de données correspondante. Ces bibliothèques garantissent la réutilisabilité des composants.

8.9.6.4. Vue de travail

Figure 139 : Vue technologique d’une installation avec plan d’interconnexion graphique des composants Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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L’éditeur de connexions offre essentiellement deux vues synoptiques. Dans la vue de l’installation, les composants nécessaires sont récupérés de la bibliothèque, puis reliés à l’écran ; on obtient une vue technologique de l’application et des liens logiques entre composants. La vue du réseau donne l’infrastructure réelle, physique, du système d’automatisation : appareils de terrain et automatismes programmables sont reliés à un bus dont ils adoptent les règles d’adressage.

Figure 140 : Vue du réseau représentant les appareils de terrain raccordés au bus

8.9.7. Communication PROFInet La communication PROFInet sur Ethernet s’échelonne sur trois niveaux de performance : TCP/UDP et IP pour les échanges sans exigences temps réel (paramétrage et configuration) ;


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Le temps réel logiciel SRT (Soft Real Time) pour les données process à temps critique utilisées en automatisation industrielle ; Le temps réel isochrone IRT (Isochronous Real Time) pour des applications pointues comme la commande et la synchronisation d’entraînements (Motion Control). Ces trois échelons couvrent toutes les applications d’automatismes. Parmi ses caractéristiques clés, citons : La coexistence de transmissions temps réel et TCP/IP sur une seule ligne ; Un protocole temps réel standardisé pour toutes les applications et la communication aussi bien entre composants intelligents décentralisés qu’entre contrôleur et périphérie décentralisée ; Une communication temps réel évolutive, de performante à ultraperformante, avec synchronisation d’horloge. Ces caractéristiques constituent l’un des points forts de PROFInet ; elles en garantissent la cohésion à tous les niveaux de l’entreprise, de l’atelier à la direction, et une grande réactivité au sein du processus.

8.9.7.1. TCP/UDP et IP Ethernet et TCP/IP sont les piliers de la communication PROFInet. TCP/IP est en effet le protocole de communication du monde informatique. Néanmoins, en matière d’interopérabilité des applications, l’établissement d’un canal de transport TCP ou UDP commun (couche 4) sur les appareils de terrain ne suffit pas. En fait, TCP/IP ne fournit que le socle permettant aux équipements Ethernet d’échanger des données sur un canal de transport, dans des réseaux centralisés ou répartis. Il faut lui ajouter d’autres spécifications et protocoles au niveau applicatif, au dessus de TCP/UDP, tels que SMTP (messagerie électronique), FTP (transfert de fichiers) et http (navigation Internet). Figure 141 : Les différentes couches de communication PROFInet


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En effet, seule l’utilisation d’une même couche Application par l’ensemble des appareils est gage d’interopérabilité. Quelques rappels : Ethernet : Normalisées sous la référence IEEE 802.3, ces spécifications énoncent la méthode d’accès, les procédures de transmission et les supports physiques des réseaux Ethernet (10 Mbit/s), Fast Ethernet (100 Mbit/s) et Gigabit Ethernet (1 Gbit/s). PROFInet utilise Fast Ethernet et Gigabit Ethernet. Fast Ethernet est une extension des spécifications de réseau Ethernet à 10 Mbit/s qui intègre et normalise la transmission en duplex intégral (full duplex) et la commutation. IP : Protocole assurant la transmission non sécurisée de datagrammes entre un expéditeur et son destinataire sur Internet. Plusieurs raisons peuvent expliquer la perte de datagrammes : parasites sur la ligne de transmission, surcharge du réseau. Autre source d’erreur : IP ne garantit pas que l’ordre d’arrivée des datagrammes est le même que celui du départ. On présume toutefois que les datagrammes reçus sont corrects. Grâce à la somme de contrôle 32 bits effectuée sur le paquet Ethernet, il est fort improbable que des erreurs échappent à la détection. TCP : Protocole de contrôle de la transmission émetteur – récepteur (absence d’erreur, séquence correcte et complète). TCP fournit un service sûr en mode connecté, une liaison devant être établie entre deux stations avant transmission, puis libérée au terme de l’échange. TCP intègre également des mécanismes de surveillance permanente de la liaison. UDP : Protocole de contrôle de la transmission émetteur – récepteur similaire à TCP, mais fonctionnant en mode non connecté et sans garantie de fiabilité (traitement de chaque paquet de données comme un seul message, sans accusé de réception). En l’absence de surveillance de temporisation ou d’établissement et de libération de la liaison, UDP est mieux adapté que TCP aux applications temps critique. Cette surveillance de la communication et du blocage des données, implicite dans TCP, peut s’effectuer sur UDP au niveau de la couche applicative, par ex. avec RPC (Remote Procedure Call)

8.9.7.2. Temps réel En automatisation industrielle, les applications temps réel nécessitent des temps de réponse et de rafraîchissement compris entre 5 et 10 ms. On entend par « rafraîchissement » le temps nécessaire à la création d’une variable dans l’application d’un appareil, son envoi sur le réseau à un partenaire de communication, puis de nouveau sa mise à disposition de l’application, au niveau de ce même partenaire. Une communication temps réel doit pouvoir minimiser la charge du processeur des appareils et garantir ainsi le traitement prioritaire du programme applicatif. L’expérience a pourtant montré que le temps de transmission d’une donnée sur une liaison Fast Ethernet Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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à 100 Mbit/s (ou plus) est négligeable au regard du temps de traitement dans les appareils. Le temps nécessaire pour fournir cette donnée à l’application du producteur n’est pas affecté par la communication. Il en va de même du traitement des données reçues par le consommateur. On en conclut que toute amélioration notable du temps de rafraîchissement et, partant, de la réponse en temps réel, résulte surtout de l’optimisation adéquate de la pile de communication, côté producteur et consommateur. Temps réel logiciel SRT Pour satisfaire les contraintes temps réel de l’automatisation, PROFInet possède un canal de transmission optimisé, dénommé Soft Real Time. Basé sur Ethernet (couche 2), il raccourcit considérablement le temps de traitement dans la pile de communication et accroît la vitesse de rafraîchissement des données process. Tout d’abord, la suppression de plusieurs niveaux de protocole réduit la longueur du message ; ensuite, la durée de préparation des données à la transmission et au traitement par l’application est écourtée. Parallèlement, la puissance de calcul réservée dans l’appareil à la communication est nettement allégée. Optimisation de la transmission par gestion des priorités PROFInet ne se contente pas de minimiser la pile de communication des automatismes programmables ; il optimise aussi la transmission en attribuant à chaque paquet de données PROFInet une priorité gérée conformément à la spécification IEEE 802.1Q. Les échanges entre appareils sont ensuite contrôlés par les constituants du réseau, en fonction de ces priorités : la priorité 6, accordée d’office aux données temps réel, l’emporte sur le traitement d’autres applications dont la téléphonie sur Internet, de priorité 5. Temps réel isochrone IRT Hélas, cette solution ne suffit pas aux applications de positionnement et de synchronisme du Motion Control. Celles-ci exigent des temps de rafraîchissement de l’ordre de 1 ms avec une incertitude sur les tops de synchronisation (jitter) entre deux cycles consécutifs de 1 μs, pour synchroniser un maximum de 100 noeuds. Pour satisfaire ces contraintes déterministes, PROFInet a défini, au niveau de la couche 2 de Fast Ethernet, une méthode de transmission contrôlée par tranche de temps. Grâce à la synchronisation d’horloge des participants du bus (constituants de réseau et appareils PROFInet), avec la précision donnée plus haut, il est possible de réserver sur le réseau une tranche pour la transmission des données critiques de la tâche Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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d’automatisation. Le cycle de transmission est donc segmenté en parties « déterministe » et « non déterministe » : les télégrammes cycliques temps réel sollicitent la tranche déterministe tandis que les télégrammes TCP/IP occupent la plage non déterministe. Tout comme si, par analogie avec la circulation autoroutière, on réservait la file de gauche au trafic express (temps réel) et confinait les autres usagers (transport TCP/IP) sur la file de droite, de sorte que les embouteillages sur ce côté de la chaussée ne ralentissent pas le trafic à temps critique. La mise en oeuvre de cette transmission « isochrone » est matérielle : un circuit ASIC se charge de la synchronisation du cycle et de la réservation du canal temporel pour les données temps réel. Cette implémentation matérielle garantit la précision requise, dans l’ordre de grandeur souhaitée, et soulage le processeur de l’appareil PROFInet des tâches de communication, libérant ainsi du temps de calcul pour l’automatisation elle-même.

8.9.7.3. Communication sur PROFInet IO Au démarrage de PROFInet IO, le protocole RPC basé sur UDP/IP sert au lancement des échanges entre appareils, au paramétrage des équipements distribués et aux diagnostics. Grâce à l’ouverture de ce protocole standardisé, les postes de conduite (IHM) et stations d’ingénierie (superviseurs) peuvent aussi accéder aux périphériques d’E/S PROFInet IO. Le canal temps réel de PROFInet est ensuite utilisé pour transmettre E/S et alarmes. Dans un réseau PROFInet IO type, un contrôleur échange des E/S cycliques avec plusieurs périphériques d’E/S par le biais de relations de communication. À chaque cycle de scrutation, les données d’entrée des périphériques interrogés sont envoyées au contrôleur qui leur renvoie des données de sortie. Les relations de communication sont contrôlées en surveillant les messages cycliques reçus. Par exemple, en l’absence de réception des trames d’entrée pendant 3 cycles, le contrôleur signale le périphérique en défaut. La couche de transmission des données de PROFInet est définie dans l’IEEE 802.3, qui décrit la configuration des protocoles et la surveillance des défauts. Un télégramme de données utilisateur comprend un minimum de 64 octets et un maximum de 1500 octets, dont 28 octets pour les données temps réel.

8.9.7.4. Communication entre composants PROFInet Dans la vue des composants PROFInet, DCOM (Distributed COM) est le protocole applicatif TCP/IP servant au partage des données entre composants PROFInet. DCOM est l’extension du modèle COM (Component Object Model) pour la distribution des objets sur le réseau et leur interopérabilité. DCOM s’appuie sur le standard RPC. PROFInet utilise DCOM non seulement pour accéder aux fonctions d’ingénierie Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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(chargement des connexions, lecture des diagnostics, paramétrage et configuration des équipements), mais aussi pour établir des liaisons et échanger des données utilisateur. DCOM n’est toutefois pas indispensable au dialogue entre composants PROFInet. C’est à l’utilisateur de décider, au niveau du système d’ingénierie, d’échanger les données utilisateur sur DCOM ou canal temps réel. À l’établissement d’une communication, les appareils (machines ou parties d’installation) peuvent alors convenir d’utiliser un protocole compatible temps réel, leurs besoins en la matière n’étant satisfaits ni par TCP/IP ni par UDP. TCP/IP et DCOM constituent l’« espéranto » idéal pour débuter les échanges entre appareils. Le canal temps réel PROFInet est ensuite utilisé pour la communication temps réel entre noeuds, au sein d’applications à temps critique. Dans l’outil de configuration, l’utilisateur peut déterminer la qualité de service en fixant la fréquence de modification des valeurs et leur transmission, soit cyclique (en cours d’exploitation), soit ponctuelle (seulement en cas de changement). Précisons que la solution cyclique convient mieux aux changements de valeur fréquents car, à l’inverse, l’interrogation ponctuelle des appareils pour contrôle et acquit alourdit la charge du processeur.

Figure 142 : La communication PROFInet entre composants PROFInet et périphériques d’E/S PROFInet IO


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8.9.8. Installation du réseau La normalisation internationale ISO/CEI 11801 et son équivalente européenne EN 50173, en tous points identiques, définissent un réseau informatique standardisé, indépendant de l’application et à usage bureautique, au sein d’un complexe immobilier. C’est dire qu’aucune ne tient compte des impératifs et spécificités du milieu industriel : Cheminement des câbles subordonné à la topographie du site ; Niveau de mise en réseau spécifique à chaque machine ou installation ; Topologie bus ; Câblage et connectique robustes et pensés pour l’industrie : respect des contraintes CEM, de température et d’humidité, protection contre la poussière et les vibrations.

Figure 143 : La structure arborescente des réseaux bureautiques Ethernet


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Bureautique

Industrie

Installation de base fixe

Câblage dicté par le site

Câblage dans faux-planchers

Cheminement de câbles lié au site

Changement fréquent de points de connexion

Rare modification des points de connexion

Câblage préconfectionné

Câblage sur site

Topologie arborescente

Topologies bus et anneau (redondant)

Gros volumes de données (ex. : images)

Faibles volumes de données (mesures)

Disponibilité moyenne du réseau

Très haute disponibilité du réseau

Températures modérées

Températures extrêmes

Absence d’humidité

Présence d’humidité (étanchéité IP65)

Quasi-absence de vibrations

Vibration des machines

Faibles contraintes CEM

Fortes contraintes CEM

Faible risque mécanique

Risque de casse mécanique

Quasi-absence de risques chimiques

Pollution chimique (graisses et ambiances agressives)

Table 13 : Comparaison entre réseau bureautique et industriel

8.9.8.1. Topologies Les topologies visent à satisfaire les exigences des unités fédérées sur le réseau ; les plus utilisées sont l’étoile, le bus, l’arborescence et l’anneau. En pratique, un réseau tend à panacher ces structures, décrites ci-après, qui empruntent des supports physiques comme le cuivre ou la fibre optique, également sur PROFInet. Étoile Un noeud central (commutateur) répartit les signaux entre chaque branche le raccordant aux nœuds d’extrémité. Le réseau en étoile convient aux applications à forte densité d’équipements et faible rayon d’action (petites cellules de fabrication ou machine de production isolée, par exemple).


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Arborescence Cette topologie consiste à réunir plusieurs étoiles pour former un réseau combinant au besoin fibre optique et paire torsadée ; elle permet de subdiviser des installations complexes en sous réseaux. Ligne (bus) La structure en bus fait appel à un commutateur situé à proximité du terminal de connexion ou intégré au terminal. Elle est surtout adaptée aux applications d’envergure (convoyage, par exemple) ou pour relier des cellules de fabrication. Anneau (redondant) Dans un réseau en anneau, toutes les stations sont montées en série dans une boucle fermée. Cette topologie vaut pour les systèmes exigeant une haute disponibilité et une protection contre les coupures de ligne ou défaillances des constituants de réseau.

Figure 144 : Topologie bus des réseaux industriels Ethernet


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8.9.8.2. Câblage PROFInet Les câbles industriels sont soumis à d’énormes sollicitations mécaniques ; ils sont donc fabriqués spécialement pour l’atelier. PI a défini différents types de câbles optimisés pour fonctionner aux limites des conditions industrielles. Grâce aux réserves suffisantes du système, la longueur de câble d’une installation aux normes industrielles peut varier sans limite. Connecteurs et câbles forment un tout parfaitement cohérent : seuls ceux dont on a testé et validé la compatibilité sont certifiés PROFInet. Les exigences de câblage au niveau terrain s’apparentent à celles de PROFIBUS. Les stations recevant aussi bien des données qu’une alimentation en 24 V, le câble hybride (véhiculant signaux et alimentation) est idéal. L’offre est double : câble mixte Cu/FOC (2 fibres optiques pour les données/4 fils pour l’alimentation) ; câble Cu/Cu (4 fils de données/4 fils d’alimentation). Rappelons les deux grands avantages de la fibre optique sur la paire torsadée : insensibilité aux perturbations électromagnétiques et déploiement de réseaux étendus. PROFInet sur cuivre support de transmission est la paire de cuivre blindée STP (Shielded Twisted Pair) constituant un câblage 100Base-TX, à 100 Mbit/s (Fast Ethernet). Seuls les câbles et une connectique blindés sont autorisés. Chacun doit être en catégorie 5 normalisée CEI 11801, et toute la liaison doit être conforme à la classe D, toujours selon la CEI 11801. De plus, les câbles PROFInet ont une section AWG 22 afin de pouvoir réaliser des câblages complexes avec un affaiblissement minimal du signal. C’est pourquoi le câblage PROFInet privilégie la modularité, en respectant la CEI 11801 et des règles d’installation simples. Les raccordements d’équipements se matérialisent par des connecteurs débrochables RJ45 ou M12. Les câbles de liaison sont pourvus de connecteurs aux deux extrémités, que l’on peut pré assembler avec le câble AWG 22. Tous les appareils sont connectés au réseau par un équipement actif. PROFInet utilise des constituants commutés dont la spécification garantit la simplicité d’installation. Les câbles de transmission sont équipés de connecteurs identiques aux deux extrémités, pré assemblé selon les mêmes critères. La longueur d’un segment est limitée à 100 m. PROFInet sur fibre optique Le PROFInet peut utiliser des fibres multimodes ou monomodes. La transmission s’effectue sur 2 conducteurs optiques 100Base-FX, à 100 Mbit/s. Les interfaces optiques respectent les spécifications ISO/CEI 9314-3 (multimode) et ISO/ CEI 9314-4 (monomode).


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Pour les applications à l’extérieur de l’armoire électrique, la gaine du câble doit satisfaire les exigences de protection mécanique, chimique et thermique du lieu de production. La longueur maximale d’un segment est de 2 km en multimode et de 14 km en monomode.

8.9.8.3. Connectiques L’un des premiers critères d’adéquation au milieu industriel est la possibilité de réaliser des systèmes de raccordement sur site. Les connecteurs M12 et RJ45 sont faits pour cela ; leur montage est facilité par l’emploi d’outils standard. Sur PROFInet, le connecteur RJ45 protégé IP20 et compatible avec les prises bureautiques équipe les armoires électriques. Figure 145 : Exemple de connecteur RJ45 en mode de protection IP20 Les connecteurs situés à l’extérieur de l’armoire doivent tenir compte des contraintes industrielles : ce sont des RJ45 protégés IP65 ou IP67 ou des connecteurs M12. Le RJ45 étanche IP65/IP67 est protégé par un boîtier durci à verrouillage push-pull (enclenchement et dés enclenchement rapides). Figure 146 : Exemple de connecteur RJ45 en IP67 Certains modèles bénéficient d’une protection pouvant aller jusqu’à IP68. Les connecteurs RJ45 de PROFInet sont les versions 4 et 5 figurant dans le projet de norme CEI 61076-3-106. Le connecteur M12 de PROFInet est la version blindée codée D, spécifiée dans le projet de norme CEI 61076-2-101. La connectique « duplex DC », conforme ISO/CEI 11801, est surtout utilisée pour la fibre optique, elle-même décrite dans la norme CEI 60874-14. Les appareils sont équipés de l’embase femelle et du câble de raccordement avec la fiche mâle. On peut aussi utiliser les connecteurs à fibre optique BFOC/2.5 normalisés CEI 60874-10. Le connecteur hybride s’emploie pour les architectures réparties dont les appareils de terrain sont reliés par un connecteur mixant données et alimentation. Le RJ45 protégé Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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IP67 possède une double paire blindée pour les signaux et 4 conducteurs de cuivre pour l’alimentation. Un connecteur totalement protégé des chocs permet l’utilisation d’une même connectique aux deux extrémités puisque la permutation fiche prise n’est plus nécessaire grâce à la protection intégrée. Figure 147 : Exemple de connecteur RJ45 hybride en IP67

8.9.8.4. Commutateurs PROFInet utilise toujours des commutateurs implantés tout au long de la transmission entre stations pour régénérer et aiguiller les signaux. Ces équipements, normalisés ISO/CEI 15802-3, servent à structurer le réseau. Les commutateurs adaptés à PROFInet sont ceux conçus pour Fast Ethernet (100 Mbit/s, IEEE 802.3u) et la transmission en full duplex ; dans ce mode, le commutateur reçoit et émet simultanément sur un même port, sans risque de collision et, donc, sans perte de bande passante due aux mécanismes de détection Ethernet. La configuration du réseau en est grandement simplifiée puisqu’il n’y a pas de contrôle des longueurs de segment dans un domaine de collision. Le 10Base-TX (10 Mbit/s, CSMA/CD) est aussi supporté pour garantir la compatibilité avec les infrastructures existantes, les terminaux isolés ou anciens, ou encore les concentrateurs Ethernet de première génération (hubs). Les commutateurs PROFInet gèrent également la priorité des télégrammes selon IEEE 802.1Q et les fonctions suivantes : diagnostics standardisés, changement automatique de polarité, auto négociation, détection automatique du câblage croisé et, en option, duplication de port (port mirroring) aux fins de diagnostics. Les commutateurs de bureautique remplissent toutes ces fonctions, mais ne conviennent pas à PROFInet. Celui-ci réclame des commutateurs « durcis », capables d’endurer les contraintes mécaniques, électriques et électromagnétiques de l’industrie (protection IP, alimentation 24 V, CEM…) et de garantir la sûreté de fonctionnement.

8.9.9. Intégration des bus de terrain PROFInet fournit un modèle d’intégration des segments PROFIBUS existants et autres bus de terrain à PROFInet. Il est donc possible de bâtir un système combinant plusieurs bus de terrain et sous réseaux Ethernet pour établir une continuité technologique entre les divers niveaux de la communication industrielle, du terrain à PROFInet. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.9.9.1. Stratégie de migration La profusion des réseaux PROFIBUS oblige, pour pérenniser ces investissements, à simplifier au maximum leur « migration » vers PROFInet. Les acteurs de l’industrie ont à cet égard trois grands desiderata : Les utilisateurs focalisent sur la simplicité d’intégration de leurs installations existantes dans une nouvelle solution PROFInet. Les constructeurs de machines et d’installations veulent pouvoir utiliser leurs actifs industriels, éprouvés et documentés, dans des projets d’automatisation PROFInet, sans la moindre modification. Les fournisseurs d’automatismes souhaitent intégrer leurs appareils de terrain dans PROFInet, sans surcoûts induits par des modifications. PROFInet propose deux méthodes de raccordement des réseaux de terrain : Intégration d’appareils de terrain par proxy ; Intégration d’applications de terrain complètes.

Figure 148 : Couplage de PROFIBUS et d’autres bus de terrain dans un réseau d’automatisme par proxy ou par intégration d’application complète


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8.9.9.2. Intégration d’appareils de terrain par proxy La fonction proxy de PROFInet simplifie l’intégration en toute transparence des bus de terrain existants. Sur Ethernet, le proxy représente un ou plusieurs appareils de terrain (esclaves PROFIBUS, par exemple) et rend transparente la communication entre réseaux (sans encapsulation des messages) ainsi que, notamment, l’envoi de données cycliques aux appareils de terrain. Prenons un réseau PROFIBUS DP : le proxy est à la fois le maître DP chargé de coordonner les échanges entre noeuds PROFIBUS et un appareil Ethernet participant à la communication PROFInet. Ce peut être PLC, un contrôleur Ethernet sur PC ou une simple passerelle réseau. Au sein de PROFInet IO, les esclaves DP intelligents sont traités comme des périphériques d’E/S ; dans la vue des composants, ce sont des entités PROFInet autonomes. Dans l’éditeur de connexions PROFInet, rien ne les différencie de leurs homologues implantés directement sur Ethernet. Bref, les appareils servant de proxy gèrent la communication transparente entre appareils de différents réseaux. Figure 149 : Intégration d’appareils de terrain par proxy

8.9.9.3. Intégration d’applications de terrain On peut aussi modéliser toute une application de terrain sous forme de composant PROFInet. Cette solution a son intérêt dans le cas de l’extension d’une usine en service, sans se préoccuper du bus de terrain utilisé pour le segment en question. Figure 150 : Intégration d’applications de terrain Pour que l’installation existante puisse dialoguer avec PROFInet, le maître du bus dans le composant PROFInet doit être compatible PROFInet. En d’autres Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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termes, si les mécanismes du bus de terrain existant (PROFIBUS DP en l’occurrence) sont intégrés au composant, les mécanismes PROFInet restent externes au composant. Cette stratégie de migration préserve tous les investissements de l’utilisateur (équipements et infrastructures, câblage), qu’il soit exploitant, responsable d’usine ou constructeur de machines, tout en protégeant son savoir-faire applicatif. PROFInet autorise donc une transition en douceur vers de nouveaux segments de réseau.

8.9.9.4. Intégration d’autres bus de terrain Partant de là, PROFInet permet d’intégrer d’autres bus de terrain comme Foundation Fieldbus, DeviceNet, Interbus, CC-Link…. On définit alors pour chaque bus une image spécifique des interfaces de composants pour les différentes possibilités de communication, que l’on sauvegarde dans le proxy. Cela permet de raccorder d’un seul coup n’importe quel réseau de terrain à PROFInet.

8.9.9.5. Exemple de machine modulaire La figure ci-après illustre un exemple d’application modulaire dans l’agroalimentaire. L’embouteilleuse compte 4 postes de travail : rinçage, remplissage, capsulage et conditionnement.

Figure 151 : Intégration de profibus DP dans PROFInet par proxy Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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D’un côté, cet exemple démontre la cohabitation indépendante de PROFIBUS et de PROFInet au sein d’un système global. De l’autre, il met en lumière la simplicité d’intégration des cellules de fabrication existantes. Le cahier des charges prévoit le maintien en l’état de PROFIBUS DP (rinçage et remplissage) mais la modernisation et l’extension du capsulage et du conditionnement sur PROFInet. L’indépendance des procédures de communication et l’emploi d’un proxy permettent de ne pas toucher au réseau PROFIBUS. Il suffit de relier les communications entre composants dans l’ingénierie de la nouvelle configuration de machine et de doter le maître PROFIBUS DP d’un module Ethernet (matériel + logiciel) et de fonctionnalités proxy. La fonction proxy garantit que la vue PROFInet reste encapsulée dans le système d’automatisme sous forme de module technologique. Toutes les opérations en amont de PROFIBUS se déroulent comme auparavant.


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8.10. LES PROTOCOLES DE TRANSMISSION DE DONNEES Nous avons 2 protocoles de transmission fondamentaux : Le MODBUS, de nos jours est en voie de disparition, Le TCP/IP, il est très souvent utilisé pour permettre à un ordinateur de communiquer avec des automates.

8.10.1. TCP/IP

Figure 152 : Présentation du modèle OSI adapté à quelques éléments de la suite TCP/IP


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8.10.2. Le protocole IP Le protocole IP a pour rôle de router l'information, c'est à dire de permettre le transport des informations d'un réseau vers un autre à travers plusieurs routeurs, donc dépasser la couche 2 pour franchir le mur du routeur, et atteindre sa cible en prenant le plus court chemin. Pour cela on utilise un nouveau format d’adressage, l’adresse IP. L'adresse IP est composée, comme on le verra plus loin, de 32 bits, mais pour en simplifier l'usage (on pourra juger cette simplification un peu trop "informaticienne", on a regroupé ces termes par octet et énuméré l'adresse en décimal pointé (4 nombres décimaux inférieurs à 255 et séparés d par des points). On trouve cette adresse encapsulée dans la trame Ethernet (dans les premiers octets du champ de donnée de la trame IEEE 802.3). Elle est placée à l’intérieur de l’entête IP. 4 Ver.

8 IHL

16 Type of service

Identification Time to live

32 bits Total length Flags

Protocol

Fragment offset

Header checksum

Source address Destination address Option + Padding Data Figure 153: Entête IP L’adresse IP est définie par un ensemble de 4 octets. Ce qui permet de définir 232 adresses (4 300 milliards de nœuds). Ces adresses sont rangées selon 5 classes, dépendant de la valeur des premiers bits de l’adresse. La classe A permet de créer 126 réseaux de 224 machines (16 millions), soit une utilisation des adresses 1.0.0.0 à 126.255.255.255. La classe B permet de créer 16384 réseaux de 216 machines (65 536), soit une utilisation des adresses de 128.1.0.0 à 191.255.255.255. La classe C permet de créer 221 réseaux (2 millions) de 256 machines, soit une utilisation des adresses 192.0.1.0 à 223.255.255.255. La classe D permet à une seule trame IP de s’adresser à plusieurs machines (MULTICAST mais en IP), elle utilise les adresses comprise entre 224.0.0.0 et 239.255.255.255. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Enfin la classe E est réservée à de futures utilisations, elle utilise quand même les adresses comprises entre 240.0.0.0 et 247.255.255.255. Cette répartition permet aussi de définir non seulement une "arborescence" du nombre de réseau, mais aussi une organisation hiérarchique. Au niveau de la classe A, toutes les machines sont des routeurs ou des passerelles interconnectées sur un faible nombre de réseaux. On forme à ce niveau les interconnexions des grands réseaux intercontinentaux. Au niveau de la classe C, on retrouve un petit nombre d'ordinateurs connectés sur un grand nombre de sous réseaux (sous réseaux pilotés par les routeurs de la classe A et B). On est ici dans le domaine "grand public" avec plein de petits réseaux sur lesquels sont connectés les machines des utilisateurs. On arrive ainsi à la représentation suivante des adresses IP :

Figure 154: Représentation adresses IP En gris, le codage du "nom" du réseau, en blanc le codage du "nom" de la machine. Pour permettre à une machine de s'identifier correctement dans son environnement, un autre paramètre que son adresse IP lui est indispensable, c'est le masque de sousréseau. Cette valeur composée de 4 octet lui permet de définir l'adresse du réseau sur lequel elle est connecté, et par déduction connaître son "nom" sur le réseau. Par exemple, pour une machine d'adresse IP de classe C :

IP

192

10

15

20

IP

192

10

15

20

& Masque

255

255

255

0

+ Masque

255

255

255

0

= Réseau

192

10

15

0

= Machine

255

255

255

20


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Attention, les nombres précédents sont présentés en base 10, pour mieux comprendre la manipulation présentée dans cet exemple de traduire les nombres en hexadécimal. IP

C0

A

F

15

IP

C0

A

F

15

& Masque

FF

FF

FF

0

+ Masque

FF

FF

FF

0

= Réseau

C0

A

F

0

= Machine

FF

FF

FF

15

Analysons maintenant, ligne par ligne un entête IP. 4 Ver.

8 IHL

16

32 bits

Type of service

Identification

Total length Flags

Time to live

Protocol

Fragment offset

Header checksum

Source address Destination address Option + Padding Data Figure 155: Entête IP Les 4 premiers bits définissent le numéro de version IP, généralement ce nombre est 4 (IPv4). Le champ IHL (Ip Header Length) donne le nombre de mots de 32 bits contenu dans l'entête (les données n'en font pas partie), mais en incluant les options et le Padding. Le champ TOS (Type Of Service) est en réalité composé de 5 sous ensembles Les 3 premiers bits forment un ensemble qui code la priorité du message. 000 : routine (normal) 001 : priority 010 : immediate 011 : flash 101 : critic 110 : internetwork control Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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111 : network control Le bit suivant est à 0. Les 4 derniers bits servent à décrire le service demandé. Ils sont exclusifs (un seul bit peut être validé pour une trame) D : Minimiser le délai, utilisé pour les messages de petite taille. T : Maximiser le débit, bien entendu, cette option est utilisée dès qu'il y a beaucoup de données à transmettre. R : Maximise la gestion du réseau. C : Minimise le coût, en générale non utilisée. Le Champ TLF (Total Length Field) permet de fixer la taille totale du paquet IP (donc, on connaît la taille de l’entête du champ de donnée. Ce champ permet ainsi d’éliminer des termes de bourrage utilisé pour porter les petites trames IP au format minimum de la trame Ethernet (46 octets). Le champ d'identification donne un numéro unique à chaque datagramme d’une machine s’incrémente 1 après chaque émission. Il permet ainsi de connaître le numéro d'ordre de chaque datagramme transmis. En cas de fragmentation d’un datagramme, le numéro d’identification est dédoublé pour être le même sur tous les fragments d’un même message. Les 3 bits de Flag permettent de contrôler les fragmentations. "More Fragments" permet de prévenir que d'autres fragments d'un même datagramme sont à suivre. Le dernier fragment du datagramme a forcément ce bit à "0" (No more Fragment). "Don't Fragment" permet d'interdire la fragmentation du datagramme (cela peut entraîner des erreurs dans la mesure où la taille maximum du message autorisée par les couches inférieures du réseau est inférieure à la taille du datagramme). Le dernier bit de flag n’est pas utilisé, donc à 0. Le champ Fragment Offset permet de définir le "numéro d'ordre" du fragment, chaque fragment pouvant être routé indépendamment des autres il peut passer par un chemin plus court que son prédécesseur et donc arriver à destination avant lui. La machine cible se chargeant alors de recomposer le datagramme en replaçant les fragments (qui ont la même identité) dans le bon ordre (ordre croissant des Fragment Offset). Attention la fragmentation est une arme à double tranchant car si un fragment est perdu, tout le message est à retransmettre. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le champ TTL (Time To Live) permet de fixer le nombre maximal de routeur qu'un datagramme peut traverser. Ce champ est initialisé à une certaine valeur au départ. Puis chaque routeur traversé le décrémente. Arrivé à 0, le datagramme est rejeté, et l'émetteur prévenu. Contrairement à ce que l'on peut croire, cette méthode n'est pas coercitive, mais permet d'éliminer des paquets perdus sur le réseau. Le champ protocole permet de définir quel type de service (TCP, UDP, etc.) utilise le champ de données de IP pour y encapsuler ses données. On peut noter certaines valeurs de ce champ (1 pour ICMP, 6 pour TCP et 17 pour UDP) Le champ HCS (Header Check Sum) contient un code CRC permettant de valider l'entête IP et exclusivement l'entête IP encapsulé dans la trame Ethernet. Il faut noter que le propre champ HCS est lui même inclus dans l'entête, donc dans le champ de contrôle, pour cela on le considère pour le calcul valant zéro. Enfin, on présente les adresses IP de la source et du destinataire, puis, avant d'empiler les données, on laisse systématiquement 32 bits libres pour la définition d'options (si il y en a) ou pour un usage ultérieur.

8.10.3. Les options de la trame IP La trame IP peut contenir des options. Celles-ci servent à la mise au point des réseaux. Elles restent toutefois optionnelles bien que devant être implémentées par tous les éléments d'un réseau. Les options sont décrites par un simple octet. 0

1 C

2

3

Classe d’option

7 Numéro d’option

Le premier bit de l’octet est l’indicateur de copie, il permet de signifier si les informations concernant cette option doivent être copié pour chacun des éventuels fragments (bit à 1) ou pas (bit à 0). Les 2 bits suivants définissent la classe de l’option : 00 : classe de contrôle 01 : réservé à un usage futur 10 : mise au point et mesure 11 : réservé à un usage futur Les 5 derniers bits définissent l’option. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 156: Options de la trame IP On peut noter en particulier les options suivantes : L’option 7 est utilisée pour enregistrer le chemin parcouru, Les options 9 et 3 permettent de fixer, pour l’option 9 l’intégralité du chemin que doit parcourir le message et l’option 3 (routage lâche par la source) les points de passage obligatoires pour un paquet. L’option 4 (de classe 2) permet de créer un horodatage des paquets. A chaque passage par un routeur une information horaire est ajoutée à la trame. Les options n’utilisant qu’un seul octet pour leur définition, on ajoute systématiquement des octets de remplissage pour compléter le paquet de 4 octets commencé par la définition de l’option. On parle alors de PADDING.

8.10.4. IP et Ethernet


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L'utilisation du protocole IP sur Internet impose la définition de deux problèmes, d'une part où et comment se rangent les données et l'identification de la trame IP (au sens physique), d'autre part comment on associe le fonctionnement des 2 protocoles (au sens logique). Lors de l'émission d'une trame Le protocole IP et le protocole Ethernet sont liés l'un à l'autre par une table d'échange nommée table ARP (pour Adress Résolution Protocol). Le rôle de cette table est d'associer à une adresse IP une adresse MAC. Ceci se fait suivant une procédure très simple. Les 3 paramètres qui doivent être définis pour toutes les machines utilisant IP sont respectivement : l'adresses IP, le masque de sous réseau et l'adresse IP de sa passerelle (qui doit être sur le même réseau physique que la machine). Lors de l'émission d'une trame IP, la machine source compare l'adresse IP de la machine cible avec l'adresse de son sous réseau. Si elle ne reconnaît pas alors l'adresse de son propre réseau, elle sait que la seule passerelle est à même de faire transiter son message sur le Web, elle va donc essayer de contacter sa passerelle. Pour se faire, elle va utiliser la même procédure que celle lui permettant de contacter une machine sur le même sous réseau. Si la cible est sur le même sous réseau, en considérant que la machine source est restée inactive assez longtemps, elle doit alors associer à l'adresse IP de sa cible une adresse au niveau de la couche MAC (IP n'est pas un réseau, rappelez vous ce que j'en ai dit, seul la couche MAC donne accès à la liaison physique). Pour identifier l'adresse de sa cible, la machine source envoie une trame ARP Request. La trame ARP utilise le champ de donnée de la trame du réseau local pour présenter son entête et place dans le champ de définition du type de trame encapsulé le code hexadécimal 0806. 16 Hardware Type HLen (8)

32 bits Protocol Type

Plen (8)

Operation

Sender Hardware Adress Sender Protocol Address Target Hardware Address Target Protocol Address Figure 157 : Entête ARP Entête ARP


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La trame ARP Request envoie alors un message à toutes les machines (BROADCAST ALL) leur demandant de répondre à l'émetteur si leur adresse IP est présente dans la trame. La machine concernée répondra par une trame ARP Reply directement adressée à l'émetteur de la requête. L'entête ARP est composé de 2 type de champs, d'une part des champs orientés vers la couche physique (HARDWARE ) d'autre part les champs orientés vers la couche IP (PROTOCOL). Tout commence par 4 octets définissant respectivement pour les 2 premiers le type de couche MAC utilisée (Ethernet est caractérisé par un 1), et pour les 2 derniers le type de couche réseau utilisée (on utilise le code 0x0800 pour IP). Les champs Hlen et Plen définissent respectivement la taille en octets des adresses de la couche MAC (6 pour Ethernet) et celles de la couche réseau (4 pour IP). Le champ OP indique s'il s'agit d'une requête ou d'une réponse ARP (1 pour une requête et 2 pour une réponse) ou d'une commande RARP (Reverse Adress Résolution Protocol). Les champs précisés par la suite sont respectivement l'adresse MAC de la source, puis son adresse dans eau en suite viennent les adresses MAC et réseau de la cible. Lors de la requête, le champ correspondant à l'adresse MAC de la cible est laissé vide. Lors de la réponse, c'est la machine qui était la cible qui devient la source donc c'est elle qui fournit les valeurs d'adresse source et d'adresse cible au niveau de la couche réseau, comme au niveau de la couche MAC. La machine cible étant alors la machine qui a émis la requête. Ces données sont alors stockées dans une table dynamique (qui s'efface si on ne la rafraîchit pas au bout de 30 secondes). Ainsi, on efface automatiquement les données entrées dans la table si elles ne sont plus utilisées.

8.10.5. La commande PING La commande PING vient de Packet INternet Groper, elle permet de tester la réponse d’une machine cible à une sollicitation de la part d'une machine source. Cette sollicitation est un écho que la machine cible doit retourner. Le message émis est donc composé d'un entête IP avec l'adresse de la machine source et de la machine cible, en suite on trouve, encapsulé dans le champ de donnés de IP l'entête ICMP qui possède un type et un code à 0, suivent un code d'identification de la machine source et le numéro de séquence. Le message renvoyé par la cible est lui aussi composé d'un entête IP et d'un entête ICMP où le type vaut 8 et le code vaut 0, le champ d'identification et le numéro de séquence sont ceux de la requête d'écho (le message émis).


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8.10.6. Fonctionnement de IP 8.10.6.1. Identification des adresses locales Lorsqu'une machine souhaite communiquer avec une autre, elle doit utiliser un support physique de réseau pour faire transiter ses données. Prenons l'exemple d'un réseau fictif où trône 3 machines. Ces 3 machines sont en fait un routeur et 2 ordinateurs. Chacun d'eux à sa propre adresse IP et à part le routeur qui utilise 2 types de réseaux, les 2 ordinateurs utilisent exclusivement le réseau Ethernet. On a donc la structure suivante:

Figure 158: Structure réseau Ethernet On considérera 2 cas, un premier où la machine n°1 souhaitera parler à la machine n°2, un autre où la machine 2 souhaitera parler à la machine 4. On étudiera après un exemple avec encore plus de réseaux. Dans notre premier cas, on va imaginer qu'un utilisateur sur la machine n°1 souhaite communiquer avec la machine n°2. Cette machine ayant été inactive depuis très longtemps, elle ne connaît pas ses voisins. Pour communiquer, elle a besoin de l'adresse physique de la machine cible (si celle-ci est sur le même réseau qu'elle) ou alors de l'adresse physique du routeur si sa machine cible n'est pas sur son réseau local.


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Pour définir l'adresse de son réseau, la machine source réalise un ET logique entre son adresse IP et le masque. On trouve : 192

0

1

2

255

255

255

0

192

0

1

0

Le réseau est donc 192.0.1.0. La cible ayant pour adresse 192.0.1.3, on cherche pour elle aussi, son réseau : 192

0

1

3

255

255

255

0

192

0

1

0

Les 2 machines sont donc sur le même réseau. La machine source va donc demander à toutes les machines du réseau celle qui a pour adresse IP : 192.0.1.3. Cette demande se fait en envoyant une requête ARP en BROADCAST ALL, c'est à dire à l'adresse de toutes les machines. On trouve donc une trame ARP contenant les informations suivantes : Sender Hardware Address

000002

Sender Protocol Address

192.0.1.2

Target Hardware Address

FF FF FF FF FF FF

Target Protocol Address

192.0.1.3

Puis une trame de réponse ARP viens de la cible qui répond : Sender Hardware Address

000004


192.0.1.3


000002


192.0.1.2

Désormais les 2 machines se connaissent, elles communiquent entre elles par le truchement du réseau Ethernet, sans relancer de commandes ARP. Tant que ces 2 machines continueront à discuter entre elles, elles conserveront localement l'association Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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des adresses IP et MAC, dans la table ARP. De plus, une table de routage leurs permet de connaître désormais la voie à suivre pour se parler. Prenons maintenant le second cas : la machine n°2 souhaite dialoguer avec la machine n°4 on recommence alors la procédure : Définition du réseau de la machine source : 192

0

1

3

255

255

255

0

192

0

1

0

192

0

2

3

255

255

255

0

192

0

2

0

Définition du réseau de la machine cible :

Les réseaux étant différents, la machine source sait qu'elle ne peut pas discuter directement avec sa cible, elle doit donc impérativement dialoguer avec son routeur pour obtenir le transfert des informations vers la cible. Comme la machine n'a pas dialogué avec le routeur depuis longtemps, elle doit associer à nouveau, à l'adresse IP du routeur, l'adresse MAC de ce dernier. Pour cela elle lance une requête ARP en BROADCAST ALL. Sender Hardware Address

000004


192.0.1.3


FF FF FF FF FF FF


192.0.1.1

Puis une trame de réponse ARP vient du routeur : Sender Hardware Address

000006


192.0.1.1


000004


192.0.1.3


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Désormais, la machine n° 2 sait parler à son routeur. C'est maintenant à lui d'établir la fin de la communication. Pour cela, il existe plusieurs possibilités : le routage statique (le chemin à suivre à été fixé par un administrateur) ou le routage dynamique (les routeurs doivent se découvrir sans aide extérieure). Mais quel que soit la méthode de routage, le principe reste le même, le routeur comme les autres machines, vérifie la présence du réseau cible dans sa table de routage. Et si celui ci n'est pas présent, il consulte les autres machines grâce à des protocoles d'échange de routes (comme le protocole IRDP pour Internet Router Discovery Protocol).

8.10.7. Le routage des paquets IP 8.10.7.1. Le protocole RIP Le principal protocole utilisé par les routeurs est le protocole RIP (pour Routing Information Protocol). Celui ci permet à un routeur de définir automatiquement et dynamiquement (c'est à dire sans intervention extérieure) le plus court chemin à suivre pour atteindre une cible. Les informations de routages ne sont pas centralisées mais sont diffusées localement. Chaque routeur dispose de sa propre table de routage appelée table RIP. Il n'y a pas sur le réseau, de noeud centralisateur de l'information de routage, pas plus qu'il n'y a de routeur connaissant l'ensemble des réseaux disponible. La définition du chemin le plus court passe par l'utilisation d'une mesure de distance, basé sur le HOP. Un HOP correspondant au passage d'un routeur. La distance n'est donc pas réelle mais fictive, en effet, peu importe qu'un réseau mesure de plusieurs centaines de kilomètres, ce qui compte c'est que l'on mobilise un nombre minimum de routeur pour transférer une information. La table RIP des routeurs stocke donc 3 informations : Le numéro IP du réseau destinataire (R). Le numéro IP du prochain routeur permettant d'y accéder (P). La distance en HOP totale du chemin (H). Régulièrement (environ toutes les 30 secondes), les routeurs diffusent leurs tables RIP. Heureusement, il existe 2 garde-fous à ces échanges, qui sur un réseau aussi vaste qu'Internet pourraient poser de gros problèmes de saturation. Le premier tient au fait que les tables sont propagées avec une limitation à 15 HOP de la distance maximale accessible. La seconde tiens au fait que seul le chemin le plus court est mémorisé.


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8.10.7.2. Diffusion et constitution des tables RIP Imaginons maintenant la situation suivante :

Figure 159: Reseau avec routeurs Les 1, 2 et 3 placé sur les fils reliés aux routeurs représentent la fin de l’adresse IP du point de connexion. Par exemple le routeur A sur le réseau 192.0.1.0 a pour adresse 192.0.1.1 Si on analyse le routeur A, on a la table RIP suivante : Réseau

Passerelle

HOP

Remarque

192.0.1.0

0

Autre voie à 4 HOP (éliminée)

192.0.2.0

0


192.0.3.0

192.0.2.1

1


192.0.4.0

192.0.1.2

1


192.1.0.0

192.0.2.3

1


10.1.0.0

192.0.1.2

2



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Le routeur B lui, a la table suivante : Réseau

Passerelle

HOP

Remarque

192.0.1.0

0


192.0.4.0

0


192.0.3.0

192.0.4.2

1


192.0.2.0

192.0.1.1

1


192.1.0.0

192.0.1.1

2


10.1.0.0

192.0.4.3

1


Ces tables sont entretenues dynamiquement, cela veut dire par exemple que si le réseau 192.0.3.0 est défaillant (par exemple, le lien est brisé), dès le routeur C (ou le routeur D) essayera de transmettre sur ce réseau, il détectera une erreur et fera évoluer sa table de routage et par propagation celle des autres. Dans notre exemple précédent, le routeur D aura les informations suivantes : Réseau

Passerelle

HOP

Réseau

Passerelle

HOP

192.0.1.0

192.0.4.1

1

192.0.1.0

192.0.4.1

1

192.0.2.0

192.0.3.2

1

192.0.2.0

192.0.4.1

2

192.0.3.0

0

192.0.3.0

0

192.0.4.0

0

192.0.4.0

0

192.1.0.0

192.0.3.2

2

192.1.0.0

192.0.4.1

3

10.1.0.0

192.0.4.3

1

10.1.0.0

192.0.4.3

1

Avant

Aprés

La création de ces tables de routage est réalisée par propagation de la table d'autres routeurs (en incrémentant les distances), via des échanges de trames RIP. Par exemple, imaginons l’initialisation de la table RIP de A. On considérera que A initie la propagation. A connaît naturellement les 2 réseaux auxquels il est relié. Il envoie donc l’information que constitue sa table de routage en « BROADCAST » à toutes les machines des 2 réseaux où il est relié (seul les routeurs retiendront cette information estampillée RIP). Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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B reçoit la table de A, il tente de la mettre à jour : Pour le réseau 192.0.1.0, B le connaît déjà et il sait qu’il y est relié. Par contre pour le réseau 192.0.2.0, B ne le connaissait pas, il entre donc l’adresse de A comme « Next HOP ». B utilise ses propres connaissances pour la compléter : Ajout dans la table de 192.0.4.0 B attend un petit délai aléatoire et rediffuse sa table (comme A) C reçoit la table de A, il tente de la mettre à jour : Pour le réseau 192.0.2.0, C le connaît déjà et il sait qu’il y est relié. Par contre pour le réseau 192.0.1.0, C ne le connaissait pas, il entre donc l’adresse de A comme « Next HOP ». C utilise ses propres connaissances pour la compléter : Ajout dans la table de 192.0.3.0. C attend un petit délai aléatoire et rediffuse sa table (comme A) J'ignore volontairement le routeur de E puisqu'il n'apporte rien au cas étudié. Le délai aléatoire sert dans le cas du réseau 192.0.2.0 à éviter une collision entre le retour de la table de C et celle de E. Pour A qui va recevoir, selon les valeurs aléatoires la trame de B ou de C en premier, va donc mettre sa table à jour en incluant les 2 réseaux (192.0.3.0) venant de C et de 192.0.4.0 venant de B). Les tables respectives de B et de C continues à se propager. Le routeur D, comme A recevra en même temps que A les informations provenant de B et de C, il va donc mettre lui aussi à jour sa table et il va lui aussi la diffuser après un court délai. A ce point les 4 réseaux 192.0 X 0 sont tous connus, pour mieux comprendre le cheminement utilisé, on va synthétiser ces résultats sous la forme d’un tableau.


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Routeur A Etape

0

Adresse du réseau 192.0.1.0 192.0.2.0

Routeur B

HOP

0


Routeur C

HOP

0


HOP

0

Routeur D Adresse du réseau 192.0.3.0 192.0.4.0

HOP

0

A diffuse sa table RIP 1

192.0.2.0

1

192.0.1.0

1

B diffuse sa table RIP 2

192.0.4.0

1

192.0.1.0

2

192.0.2.0

1

C diffuse sa table RIP 3

192.0.3.0

2 On a alors les tables suivantes

192.0.1.0

0

192.0.1.0

0

192.0.1.0

1

192.0.1.0

2

192.0.2.0 après l’étape 3 192.0.3.0

0

192.0.2.0

1

192.0.2.0

0

192.0.2.0

1

2

192.0.3.0

0

192.0.3.0

0

192.0.4.0

1

192.0.4.0

0

192.0.4.0

0

D diffuse maintenant sa table RIP 4

192.0.3.0

2

192.0.4.0

2

On a alors les tables suivantes 192.0.1.0

0

192.0.1.0

0

192.0.1.0

1

192.0.1.0

2

192.0.2.0 après l’étape 4 192.0.3.0

0

192.0.2.0

1

192.0.2.0

0

192.0.2.0

1

2

192.0.3.0

2

192.0.3.0

0

192.0.3.0

0

192.0.4.0

1

192.0.4.0

0

192.0.4.0

2

192.0.4.0

0

A, B et C vont diffuser leurs tables, mais tous les réseaux sont déjà connus, et les chemins sont déjà les plus court, ils ne seront donc pas suivis de rediffusions. Les distances devant être minimisées, après la troisième étape, l’ensemble des éléments du réseau connaît le chemin le plus court pour atteindre sa cible. Si l’on ajoute les routeurs E et F, la diffusion est un peu plus longue mais elle conduira aux mêmes résultats.


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8.10.7.3. La trame RIP La trame RIP est encapsulée dans une trame IP. Elle se compose d'un nombre variable de champs. Toutefois, au minimum, la trame RIP est composée de 24 octets. La trame suivante est en octets. 1

1

C V

2

2

2

4

8

4

ZERO

AFI

ZERO

ADDRESS

ZERO

ETRIC

Les champs ZERO sont des champs « vides » (remplis de zéro)

Définit le sens de propagation du message. C Command

V Version AFI Address Family Indetifier

Cela peut être une requête (un routeur sollicite d’un autre la propagation de sa table) ou une « réponse » qui est soit une mise à jour régulière soit une mise à jour extraordinaire (cas où un brin du réseau est défaillant). Donne le numéro de version du protocole RIP utilisé Permet d’utiliser RIP avec des protocoles de réseaux différents de IP. Nous nous limiterons au protocole IP donc ce champ contient le mot hexadécimal « 0002 ».

ADDRESS

Addresse IP du réseau accessible

METRIC

Distance du réseau cible en HOP

Une trame RIP peut contenir jusqu'à 25 occurrences des champs ADDRESS et METRIC, permettant ainsi (pour chaque trame) de donner la position de 25 routeurs. Le champ METRIC permet de donner le nombre de HOP entre le routeur source et sa cible. Le nombre de HOP est limité à 15 (et il ne peut pas être inférieur à 1), toutefois, il est possible de trouver dans le champ METRIC la valeur 16 qui signifie que le réseau est inaccessible. L'adresse IP de la passerelle à contacter pour le routage est quand à elle dans la trame IP qui encapsule la trame RIP. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.10.8. Le protocole MODBUS Le protocole MODBUS consiste en la définition de trames d’échange.

Figure 160: Protocole MODBUS Le maître envoie une demande et attend une réponse. Deux esclaves ne peuvent dialoguer ensemble. Le dialogue maître – esclave peut être schématisé sous une forme successive de liaisons point à point.

8.10.8.1. Principe des échanges MODBUS

Figure 161 : Principe des échanges de données en MODBUS Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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8.10.8.2. Adressage Les abonnés du bus sont identifiés par des adresses attribuées par l’utilisateur. L’adresse de chaque abonné est indépendante de son emplacement physique. Les adresses vont de 1 à 64 et ne doivent pas obligatoirement être attribuées de manière séquentielle. Deux abonnés ne peuvent avoir la même adresse.

8.10.8.3. Échange maître vers 1 esclave Le maître interroge un esclave de numéro unique sur le réseau et attend de la part de cet esclave une réponse

Figure 162 : Échange Maître vers 1 esclave (MODBUS)

8.10.8.4. Échange Maître vers tous les esclaves Le maître diffuse un message à tous les esclaves présents sur le réseau, ceux-ci exécutent l’ordre du message sans émettre une réponse.

Figure 163 : Échange Maître vers tous les esclaves (MODBUS)


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8.10.8.5. Trame d’échange question/réponse La question Elle contient un code fonction indiquant à l’esclave adressé quel type d’action est demandé. Les données contiennent des informations complémentaires dont l’esclave a besoin pour exécuter cette fonction. Le champ octets de contrôle permet à l’esclave de s’assurer de l’intégralité du contenu de la question. N° d’esclave

Code fonction

Information spécifique concernant la demande

Mot de contrôle

1 octet

1 octet

n octets

2 octets

N° d’esclave

Code fonction

Données reçues

Mot de contrôle

1 octet

1 octet

n octets

2 octets

La réponse

Si une erreur apparaît, le code fonction est modifié pour indiquer que la réponse est une réponse d’erreur. Les données contiennent alors un code (code d’exception) permettant de connaître le type d’erreur. Le champ de contrôle permet au maître de confirmer que le message est valide.

N° d’esclave

Code fonction

Code d’exception

Mot de contrôle

1 octet

1 octet

1 octets

2 octets

8.10.8.6. Format général d’une trame Deux types de codage peuvent être utilisés pour communiquer sur un réseau Modbus. Tous les équipements présents sur le réseau doivent être configurés selon le même type.


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Type ASCII : chaque octet composant une trame est codé avec 2 caractères ASCII (2 fois 8 bits). START

Adresse

Fonction

Données

LRC

END

1 caractère

2 caractères

2 caractères

n caractères

2 caractères

2 caractères « CR LF »

LRC : C’est la somme en hexadécimal modulo 256 du contenu de la trame hors délimiteurs, complémentée à 2 et transmise en ASCII. Type RTU (Unité terminale distante) : chaque octet composant une trame est codé sur 2 caractères hexadécimaux (2 fois 4 bits). START

Adresse

Fonction

Données

CRC

END

Silence

1 octet

1 octet

n octets

2 octets

Silence

La taille maximale des données est de 256 octets. Le mode ASCII permet d’avoir des intervalles de plus d’une seconde entre les différents caractères sans que cela ne génère d’erreurs, alors que le mode RTU permet un débit plus élevé pour une même vitesse de transmission. L’ensemble des informations contenues dans le message est exprimé en hexadécimal. Le maître s’adresse à l’esclave dont l’adresse est donnée dans le champ prévu à cet effet. Le code fonction indique à l’esclave le type d’action à réaliser. Exemple : lecture de registre, code de fonction (03)HEX, écriture dans un registre, code de fonction (10)HEX. Le champ de données est codé sur n mots en hexadécimal de 00 à FF, soit sur n octets. Selon le code fonction, le champ de données contient diverses informations complémentaires permettant à l’esclave de décoder le message (voir l’exemple plus bas). Dans le cas du mode RTU, le champ contrôle d’erreur CRC (Contrôle de Redondance Cyclique) contient une valeur codée sur 16 bits. Nota : Le contrôle de parité peut dans certains cas être supprimé car d’autres contrôles d’échanges sont mis en oeuvre (cas du contrôle CRC encore appelé contrôle par Checksum) L’esclave renvoie sa réponse ; il place sa propre adresse dans le champ adresse afin que le maître puisse l’identifier. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Il utilise ensuite le champ fonction pour indiquer si la réponse contient une erreur. Pour une réponse normale, l’esclave reprend le même code fonction que celui du message envoyé par le maître, sinon il renvoie un code erreur correspondant au code original avec son MSB à 1. Le champ de données contient diverses informations dépendant du code fonction. Le champ contrôle d’erreur contient une valeur codée sur 16 bits. Cette valeur est le résultat d’un CRC (Cyclical Redundancy Check) calculé à partir d’un message.

8.10.8.7. Support de transmission Chaque octet composant un message est transmis en mode RTU de la manière suivante : Sans contrôle de parité Start

Bit 0

Bit 1

Bit 2

Bit 3

Bit 4

Bit 5

Bit 6

Bit 7

Stop

Bit 5

Bit 6

Bit 7

Stop

Avec contrôle de parité Start

Bit 0

Bit 1

Bit 2

Bit 3

Bit 4

Avant et après chaque message, il doit y avoir un silence équivalent à 3,5 fois le temps de transmission d’un mot.

L’ensemble du message doit être transmis de manière continue. Si un silence de plus de 1,5 fois le temps de transmission d’un mot intervient en cours de transmission, le destinataire du message considérera que la prochaine information qu’il recevra sera l’adresse du début d’un nouveau message. Le protocole MODBUS ne définit que la structure des messages et leur mode d’échange. On peut utiliser n’importe quel support de transmission RS 232, RS 422 ou RS 485, mais la liaison RS 485 est la plus répandue car elle autorise le « multipoints ». Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Exemple d’échange entre un maître et un esclave Trame émise par le maître : 04 03 00 02 0001 25 CA - Adresse esclave : 04 - Code fonction 03 = lecture registre - N° du registre de début de lecture : MSB : 00 et LSB : 02 - Nombre de registre de lecture : MSB : 00 et LSB : 01 - CRC : 25 CA Réponse de l’esclave avec erreur : 04 83 02 01 31

- Adresse esclave : 04 - Code fonction : lecture avec MSB = 1 : 83 - Code erreur (n° registre) : 02 - CRC : 01 31 Réponse de l’esclave sans erreur : 04 03 02 02 58 B8 DE

- Adresse esclave : 04 - Code fonction : lecture registre : 03 - Nombre d’octets données : 02 - Données du registre 0002 : MSB 02 et LSB : 58 - CRC : B8 DE

8.10.9. Le protocole HART 8.10.9.1. Qu’est-ce que le HART ? Le protocole HART est un protocole de communication bidirectionnelle à l’usage du secteur industriel, qui sert à la communication entre les appareils utilisateurs intelligents et les systèmes centraux. HART est le modèle mondial pour les appareils de traitement intelligents et la majorité des appareils utilisateurs intelligents installés dans les établissements industriels du monde entier sont compatibles avec HART. Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Le nombre d’appareils compatibles avec HART utilisés dans le monde dépasse les 20 millions et ils constituent le plus grand protocole de communication. La technologie HART est facile à utiliser et elle est très fiable. Il existe plusieurs raisons pour faire communiquer un ordinateur central avec un appareil utilisateur. Entre autres : Configuration ou re-configuration de l’appareil Diagnostic de l’appareil Dépannage de l’appareil Lecture des valeurs des mesures supplémentaires fournies par l’appareil Santé et statut de l’appareil Et beaucoup d’autres ! Un système central peut être un système de commande réparti, un automate programmable industriel (API), un système de gestion des actifs ou un appareil portatif. HART est un protocole de communication maître-esclave créé dans les années 80 pour faciliter la communication avec les appareils utilisateurs intelligents. HART signifie Highway Addressable Remote Transducer (télétransducteur adressable par bus). Le protocole HART utilise la norme de modulation par déplacement de fréquence (FSK) Bell 202 pour superposer les signaux de communication numériques bas niveau aux signaux 4-20 mA.

Figure 164: HART protocol Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Cela permet le dialogue avec les utilisateurs ainsi que la communication d’informations supplémentaires, en plus de la variable de processus normal, vers/à partir d’une machine utilisateur intelligente. Le protocole HART communique à 1200 bits/seconde sans interrompre le signal de 4-20 mA et permet à une application hôte (maître) de recevoir deux mises à jour numériques, ou davantage, par seconde, d’une machine utilisateur. Comme le signal numérique FSK est à phase continue, il n’y a pas d’interférence avec le signal de 4-20 mA. HART est un protocole maître/esclave, ce qui signifie qu’une machine utilisateur (esclave) ne parle que si un maître s’adresse à elle. Le protocole HART peut être utilisé en divers modes pour communiquer des informations vers/à partir de machines utilisateurs intelligentes et vers/à partir de systèmes centraux de commande ou de surveillance.

Figure 165 : Application d’une communication en HART HART peut fonctionner avec deux maîtres (primaire et secondaire). Cela permet d’utiliser des maîtres secondaires, par exemple des communicateurs portatifs, sans interférer avec les communications vers/à partir du maître primaire, c.-à-d. du système de commande/surveillance. Figure 166 : Configuration en réseau point par point


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Figure 167 : Configuration en réseau d’une multi boucle Le protocole HART permet d’effectuer toutes les communications numériques avec les machines utilisateurs selon des configurations en réseau point par point ou en réseau multipoint.

8.10.9.2. Comment fonctionne le HART ? typiquement entre une machine utilisateur et un système de commande ou de surveillance. La communication se fait à l’aide de câble standard pour instruments et en utilisant des techniques de câblage et de connexion standard. HART offre deux voies de transmission simultanées : le signal analogique 4-20 mA ainsi qu’un signal numérique. Le signal 4-20 mA transmet la valeur primaire mesurée (dans le cas d’un appareil utilisateur) en utilisant la boucle de courant de 4-20 mA – la norme industrielle la plus rapide et la plus fiable. Les informations supplémentaires de l’appareil sont transmises à l’aide d’un signal numérique qui se superpose au signal analogique. Le signal numérique contient des informations provenant de l’appareil, parmi elles le statut de l’appareil, les diagnostics, les valeurs supplémentaires mesurées ou calculées, etc. Ensemble, les deux voies de transmission offrent une solution complète de communication avec les appareils utilisateurs, facile à utiliser et à configurer, de coût peu élevé et très robuste.


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Figure 168 : Mode d’opération du protocole HART

Données HART - Vue d’ensemble Données numériques : 35-40 données élémentaires importantes, standard dans chaque appareil HART Identification des appareils : étiquette d’appareil, fournisseur, type d’appareil, révision, numéro de série de l’appareil Données d’étalonnage : valeurs supérieures et inférieures de plage, limites supérieures et inférieures des capteurs, amortissement PV, date du dernier étalonnage Variables de processus : variable primaire plus mesures secondaires et paramètres multivariables Alertes sur le statut/de diagnostic : dysfonctionnement d’un appareil, changement de configuration, redémarrage après coupure de courant, courant de boucle fixe ou saturé, variable primaire ou secondaire en dehors des limites, erreur de communication, et d’autres indications encore


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Commandes HART L’appareil HART communique au moyen de commandes. Le jeu de commandes est divisé en trois catégories : commandes universelles, commandes de pratique courante, et commandes spécifiques aux appareils.

Tous les appareils utilisant le protocole HART doivent reconnaître et être capables de recevoir les commandes universelles. Commandes universelles

Les commandes universelles donnent accès à des informations utiles dans les opérations normales. Par exemple : lire variable et unités primaires, lire nom fabricant et type d’appareil, lire sortie courant et pourcentage de plage et lire numéro de série et limites capteur.

Les commandes de pratique courante correspondent à des fonctions remplies par de nombreux appareils de communication HART, mais pas nécessairement par tous. Commandes de pratique courante

Les spécifications HART préconisent que les appareils soient capables de recevoir ces commandes quand cela est nécessaire. Des exemples de commandes de pratique courante sont : lire une sélection de variables dynamiques dont le nombre peut aller jusqu’à quatre, écrire constante de temps d’amortissement, écrire portée de l’émetteur, définir sortie courant fixe et effectuer auto-test.

Les commandes spécifiques aux appareils correspondent à des fonctions remplies uniquement par chaque appareil utilisateur.

Commandes spécifiques aux appareils

Ces commandes donnent accès à des informations de configuration et d’étalonnage, ainsi qu’à des informations sur la construction de l’appareil. Les informations sur les commandes spécifiques aux appareils sont disponibles auprès des fabricants d’appareils ou peuvent être consultées dans le document sur les spécifications des appareils utilisateurs. Exemples de commandes spécifiques aux appareils : lire ou écrire type de capteur, démarrer, arrêter ou remettre à zéro le totalisateur, lire ou écrire point de consigne du relais d’alarme, etc.


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8.10.9.3. Les specifications du HART Les spécifications du protocole HART de communication avec les appareils utilisateurs sont un ensemble de documents qui définissent le protocole HART de communication avec les appareils utilisateurs. Conçu pour compléter la signalisation analogique 4-20 mA classique, le protocole HART est capable d’établir des communications numériques bidirectionnelles pour la mesure des processus et pour les besoins des appareils de commande. Parmi les applications, on peut citer l’interrogation à distance des variables de processus, l’accès cyclique aux données de processus, la fixation de paramètres et les diagnostics. Ce document définit les documents de spécifications qui constituent le protocole HART de communication avec les appareils utilisateurs. Les spécifications du Protocole Hart s’appuient largement sur le Modèle de communication à 7 couches de la norme OSI :

Figure 169: HART specifications La couche Application définit les commandes, les réponses, les types de données et l’établissement d’états d’avancement de travaux, pris en charge par le Protocole. En plus, certaines conventions du Protocole HART (par exemple, comment régler un courant de boucle) sont également considérées comme faisant partie de la couche Application. Alors que le Résumé des Commandes, les Tables Communes et les Spécifications sur le Code de Réponse aux Commandes établissent les pratiques obligatoires de la Couche Application (p. ex. types de données, définitions communes de données élémentaires, et procédures), les Commandes Universelles indiquent le contenu minimum de la Couche Application pour tous les appareils compatibles avec HART.


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8.10.9.4. Qu’y a t-il dans les données HART? Plusieurs types de données ou d’informations peuvent être transmis à partir d’un appareil compatible avec HART. Entre autres : Données sur l’appareil Données sur le fournisseur Données de mesure Données d’étalonnage Une fois que ces données sont intégrées dans les systèmes de commande, de gestion d’actifs ou de sécurité, il est alors possible d’améliorer les opérations de l’unité de production, de diminuer les coûts et d’augmenter la disponibilité de l’unité de production. Ci-après figure un résumé des données élémentaires utilisables pour la communication entre les appareils HART et un ordinateur central. Valeurs des variables de process Variable de processus primaire (analogique) – signal de 4-20 mA continuellement transmis à l’ordinateur central Variable de processus primaire (numérique) – Valeur numérique en unités techniques, virgule flottante IEEE, résolution jusqu’à 24 bits Pourcentage de plage - Variable de processus primaire exprimée en pourcentage de la plage définie Courant de boucle – Valeur du courant de boucle en milliampères (mA). Variable de processus secondaire 1 – Valeur numérique en unités techniques disponible à partir des appareils multivariables Variable de processus secondaire 2 - Valeur numérique en unités techniques disponible à partir des appareils multivariables Variable de processus secondaire 3 - Valeur numérique en unités techniques disponible à partir des appareils multivariables Commandes de l’ordinateur central au périphérique Définir unités de variables primaires Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Définir limite supérieure de plage Définir limite inférieure de plage Définir valeur d’amortissement Entrer message Entrer étiquette Entrer date Définir descripteur Effectuer test de bouclage - Forcer le courant de boucle à une valeur spécifique Lancer l’autotest – Démarrer l’autotest du périphérique Aller à l’information Davantage d’états disponibles Alertes sur l’état et alertes de diagnostic Dysfonctionnement du périphérique – Indique que l’autodiagnostic du périphérique a détecté un problème dans son fonctionnement Configuration modifiée – Indique que la configuration du périphérique a été modifiée Démarrage à froid - Indique que le périphérique a effectué un cycle complet de démarrage Davantage d’états disponibles - Indique que les données sur l’état des appareils supplémentaires sont disponibles Sortie analogique de la variable primaire fixe – Indique que le périphérique est en mode courant fixe Sortie analogique de la variable primaire saturée – Indique que le signal de 4-20 mA est saturé Variable secondaire hors limites – Indique que la valeur de la variable secondaire est en dehors des limites du capteur Variable primaire hors limites - Indique que la valeur de la variable primaire est en dehors des limites du capteur


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Identification des appareils Étiquette instrument – Utilisateur défini, jusqu’à 8 caractères Descripteur - Utilisateur défini, jusqu’à 16 caractères Nom du fabricant (Code) - Code établi par HCF et fixé par fabricant Type d’appareil et révision – Entré par le fabricant Numéro de série de l’appareil - Entré par le fabricant Numéro de série du capteur - Entré par le fabricant Informations d’étalonnage pour la transmission en 4-20 mA de la variable de processus primaire Date - Date du premier étalonnage, entrée par l’utilisateur Valeur supérieure de plage – Valeur de variable primaire en unités techniques pour point de 20 mA, fixée par l’utilisateur Valeur inférieure de plage - Valeur de variable primaire en unités techniques pour point de 4 mA, fixée par l’utilisateur Limite supérieure du capteur – Fixée par le fabricant Limite inférieure du capteur - Fixée par le fabricant Portée minimale du capteur - Fixée par le fabricant Amortissement PV – Facteur d’amortissement de la variable de processus primaire, fixé par l’utilisateur Message – Espace message pour zone de travail (32 caractères), fixé par l’utilisateur Fonction de transfert du courant de boucle – Relation entre valeur de la variable primaire et le signal de 4-20 mA Action alarme courant de boucle – Action du courant d’alarme en cas de panne de l’appareil (haut de l’échelle/bas de l’échelle) État de la protection d’écriture – Indicateur de la protection d’écriture de l’appareil


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Calibration Information for 4-20mA Transmission of Primary Process Variable Date - Date of last calibration, set by user Upper Range Value - Primary Variable Value in engineering units for 20mA point, set by user Lower Range Value - Primary Variable Value in engineering units for 4mA point, set by user Upper Sensor Limit - Set by manufacturer Lower Sensor Limit - Set by manufacturer Sensor Minimum Span - Set by manufacturer PV Damping - Primary Process Variable Damping Factor, set by user Message - Scratch pad message area (32 characters), set by user Loop Current Transfer Function - Relationship between Primary Variable digital value and 4-20mA current signal Loop Current Alarm Action - Loop current action on device failure (upscale/downscale) Write Protect Status - Device write-protect indicator


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9. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1: Évolution : Toutes ces opérations étaient réparties ..............................................9 Figure 2: Ordinateur central pour commande numérique directe (DDC) ...........................10 Figure 3: Commande analogique commandée numériquement (DDAC)...........................11 Figure 4: Passage de l’ordinateur central à ordinateur réparti ...........................................14 Figure 5: Système classique SCADA ................................................................................20 Figure 6: Exemple de DCS ................................................................................................22 Figure 7: Principe du système de supervision ...................................................................23 Figure 8: DCS SIEMENS S7-400 ......................................................................................24 Figure 9: Embase ..............................................................................................................24 Figure 10: Exemple d’armoire DCS ...................................................................................25 Figure 11: Divers cartes d’alimentation..............................................................................25 Figure 12: Carte d’entrée logique ......................................................................................26 Figure 13: Carte de sortie logique......................................................................................26 Figure 14: Carte d’entrée analogique ................................................................................27 Figure 15: Carte de sortie analogique................................................................................27 Figure 16: Microprocesseur associé à une mémoire .........................................................28 Figure 17: Les divers modes de fonctionnement d’une CPU .............................................28 Figure 18: Carte de communication...................................................................................29 Figure 19: Boucle simple de contrôle à partir d’un contrôleur classique à simple boucle ..30 Figure 20: Plusieurs boucles partagent le même contrôleur numérique ............................31 Figure 21: Structure physique de contrôleur (contrôleur à fonction partagée) ...................32 Figure 22: Structure physique de contrôleur (rack de contrôleur à boucle individuelle).....32 Figure 23: Module de contrôle simple à langages multiples ..............................................33 Figure 24: Exécution de fonction de contrôle.....................................................................35 Figure 25: Passage de la programmation à la configuration..............................................36 Figure 26: Passage du matériel au micro-logiciel : les blocs fonctions peuvent être des instruments’ ................................................................................................................38 Figure 27: Combinaison de blocs fonction .........................................................................39 Figure 28 : Branchement des blocs fonction par câblage virtuel........................................40 Figure 29: Contrôle monoboucle redondant pour intégrité monoboucle ............................41 Figure 30: Ordinateur principal redondant .........................................................................42 Figure 31: Redondance à boucle partagée........................................................................43 Figure 32: Rack monocarte de contrôleur redondant.........................................................44 Figure 33 : Racks redondants 1 pour 1..............................................................................46 Figure 34: Les coupures d’alimentation altèrent le contrôle-commande............................46 Figure 35: Même les E/S locales se branchent sur un bus dans les contrôleurs ...............48 Figure 36: Méthode de visualisation de conversion analogique-numérique ......................49 Figure 37: E/S distantes avec connections P2P aux autres contrôleurs............................51 Figure 38: Connections E/S distantes étendues ................................................................51 Figure 39: Communication numérique de terrain...............................................................52 Figure 40: Interface opérateur locale directement reliée au contrôleur..............................54 Figure 41: Système dans un réseau de plusieurs PC........................................................55 Figure 42 : Interfaces utilisateur plus puissantes ...............................................................56 Figure 43: Principe de l’architecture réseau d’un DCS ......................................................57 Figure 44: Architecture bus de terrain associé à un système DCS....................................58 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 45: Exemple de coupleur DP / PA SIEMENS .........................................................59 Figure 46: Connecteur bus sub-d 9 broches......................................................................59 Figure 47: Exemple de PC serveur....................................................................................61 Figure 48: Exemple de PC servant aux opérateurs ...........................................................61 Figure 49: Salle de contrôle avec des pc OS client ...........................................................62 Figure 50: Exemples d'outils du logiciel "Graphics Designer" ............................................63 Figure 51: Exemple d’une vue synoptique d’un séparateur ...............................................64 Figure 52: Exemples d’alarmes sur une vue synoptique ...................................................65 Figure 53: Face plate d’un régulateur sur une vue synoptique ..........................................66 Figure 54: Face plate d’une pompe sur une vue synoptique .............................................67 Figure 55: Architecture typique et simplifiée d’un DCS ......................................................68 Figure 56: Architecture réseau du DCS Freelance 2000 (ABB).........................................69 Figure 57: Architecture du DCS Delta V (Emerson)...........................................................69 Figure 58: Détails concernant l’adaptateur du réseau de terrain .......................................70 Figure 59 : Exemple de minimisation des coûts par mise en œuvre de réseau.................71 Figure 60 : Les différents types de réseau.........................................................................72 Figure 61: Les techniques de connexion ...........................................................................74 Figure 62: Exemples polarités ...........................................................................................76 Figure 63: Exemple retour à zéro ......................................................................................76 Figure 64: Codages synchrones ........................................................................................77 Figure 65: Code Manchester II ..........................................................................................78 Figure 66: Code Miller........................................................................................................79 Figure 67: Code HDB3.......................................................................................................80 Figure 68: Représentation en fréquence des modulations d'amplitude .............................82 Figure 69: Spectre modulations d'amplitude......................................................................83 Figure 70: Modulation d'amplitude avec porteuse..............................................................84 Figure 71 : Modulation d'amplitude avec porteuse (m>1) ..................................................85 Figure 72 : Modulation d'amplitude sans porteuse.............................................................86 Figure 73: Modulation d’amplitude à bande réduite ...........................................................86 Figure 74 : FSK avec un indice de modulation de 0,6 .......................................................88 Figure 75 : FSK avec un indice de modulation de 0,66 à phase continue .........................88 Figure 76 : FSK avec un indice de modulation de 0,8 .......................................................89 Figure 77 : Rappel sur les modulations analogiques .........................................................90 Figure 78: Codage de la parité ..........................................................................................91 Figure 79: Exemple de multiplexage fréquentiel à 12 voies...............................................97 Figure 80: Représentation des opérations de multiplexage ...............................................98 Figure 81: Multiplexage temporel.......................................................................................99 Figure 82: Connexion point à point et interconnexion répartie.........................................101 Figure 83: La norme RS232.............................................................................................102 Figure 84 : Liaison série à 7 fils .......................................................................................104 Figure 85 : Liaison série à 5 fils .......................................................................................104 Figure 86 : Liaison série à 3 fils .......................................................................................105 Figure 87 : Concept du contrôle de flux logiciel pour le récepteur ...................................106 Figure 88 : Concept du contrôle de flux logiciel pour l'émetteur ......................................107 Figure 89: Application de contrôle de flux logiciel ............................................................107 Figure 90 : Connecteur IEEE 488 (modèle IEC) ..............................................................109 Figure 91: Chronogramme d'une transmission ................................................................111 Figure 92 : Pyramide CNIM .............................................................................................112 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 93 : Représentation de l’organisation d’un réseau (OSI) ......................................115 Figure 94 : Représentation de l’encapsulation des données ...........................................116 Figure 95 : Le réseau en anneau.....................................................................................118 Figure 96 : Le réseau en étoile ........................................................................................119 Figure 97 : Le réseau en bus ...........................................................................................119 Figure 98 : L’arborescence d’un réseau ..........................................................................120 Figure 99 : Le réseau maillé ............................................................................................120 Figure 100 : Les deux types de fibre optique ...................................................................126 Figure 101: Les éléments de la couche physique............................................................128 Figure 102 : Le HUB ........................................................................................................129 Figure 103 : Extraits de la table des Ethertypes Normalisés............................................132 Figure 104: Transmission avec câble coax......................................................................133 Figure 105 : Réseau Ethernet en étoile avec connexion sur un HUB en RJ45................134 Figure 106 : Exemple d’un routage en réseau .................................................................134 Figure 107 : Trame classique Ethernet II normalisée IEEE 802.3 ...................................135 Figure 108 : Trame Ethernet avec une encapsulation LLC..............................................135 Figure 109 : Les 3 grandes familles de profil profibus et la convergence de PROFIBUS et d’Ethernet .................................................................................................................140 Figure 110 : Vue d’ensemble de la technologie profibus .................................................143 Figure 111 : L’architecture de communication profibus ...................................................144 Figure 112 : Les différentes connexions PROFIBUS.......................................................146 Figure 113 : Câblage et terminaison de bus de la liaison RS485 sur PROFIBUS ...........148 Figure 114 : Télé alimentation des instruments de terrain sur PROFIBUS en transmission CEI1158....................................................................................................................149 Figure 115 : La nature hybride de la gestion d’accès à profibus......................................153 Figure 116 : Temps de cycle du bus dans une configuration mono maître......................157 Figure 117 : Le réseau DP en configuration mono maître ...............................................158 Figure 118 : Les deux trames de transmission cyclique de données utilisateur dans DP 159 Figure 119 : Principe d’adressage des données en transmission acyclique dans DP .....162 Figure 120 : Équipement de terrain virtuel (VFD) et dictionnaire d’objets (OD) ...............165 Figure 121 : Récapitulatif des services FMS et exécution d’un service confirmé.............166 Figure 122 : Exemple de réseau profibus adapté à l’industrie des procédés...................169 Figure 123 : Comparaison entre les deux solutions de câblage : fil à fil 4-20mA et réseau PROFIBUS PA .........................................................................................................170 Figure 124 : Représentation graphique des paramètres d’un transmetteur de pression en PROFIBUS PA .........................................................................................................171 Figure 125 : PROFISafe : la sécurité sur le réseau .........................................................174 Figure 126 : Les fichiers GSD facilitent la configuration du réseau..................................177 Figure 127 : Les trois grandes étapes du rapprochement PROFIBUS – Ethernet...........180 Figure 128 : Temps de cycle du bus avec synchronisation horaire .................................181 Figure 129 : PROFInet IO et PROFIBUS DP partage la même structure ........................183 Figure 130 : Intégration PROFIBUS-PROFInet par un serveur proxy..............................185 Figure 131: Les catégories d’équipement PROFInet IO ..................................................186 Figure 132 : Relations de communication sur PROFInet entre producteur / consommateur .................................................................................................................................187 Figure 133 : Similitude du modèle d’équipement PROFInet IO et PROFIBUS DP ..........188 Figure 134 : Les 2 étapes de configuration avant l’échange des données entre contrôleur et périphérique E/S sur PROFInet IO .......................................................................189 Manuel de Formation EXP-MN-SI110-FR Dernière Révision: 08/04/2009

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Figure 135 : PROFInet : un modèle de communication, d’automatisation et d’ingénierie multi constructeur .....................................................................................................191 Figure 136 : Création standardisée de composants sur PROFInet..................................192 Figure 137 : Paramétrage des communications avec l’éditeur de connexion ..................192 Figure 138 : Téléchargement des connexions dans les appareils de terrains configurés 193 Figure 139 : Vue technologique d’une installation avec plan d’interconnexion graphique des composants .......................................................................................................194 Figure 140 : Vue du réseau représentant les appareils de terrain raccordés au bus.......195 Figure 141 : Les différentes couches de communication PROFInet ................................196 Figure 142 : La communication PROFInet entre composants PROFInet et périphériques d’E/S PROFInet IO ...................................................................................................200 Figure 143 : La structure arborescente des réseaux bureautiques Ethernet ...................201 Figure 144 : Topologie bus des réseaux industriels Ethernet ..........................................203 Figure 145 : Exemple de connecteur RJ45 en mode de protection IP20 .........................205 Figure 146 : Exemple de connecteur RJ45 en IP67 ........................................................205 Figure 147 : Exemple de connecteur RJ45 hybride en IP67............................................206 Figure 148 : Couplage de PROFIBUS et d’autres bus de terrain dans un réseau d’automatisme par proxy ou par intégration d’application complète .........................207 Figure 149 : Intégration d’appareils de terrain par proxy .................................................208 Figure 150 : Intégration d’applications de terrain .............................................................208 Figure 151 : Intégration de profibus DP dans PROFInet par proxy..................................209 Figure 152 : Présentation du modèle OSI adapté à quelques éléments de la suite TCP/IP .................................................................................................................................211 Figure 153: Entête IP.......................................................................................................212 Figure 154: Représentation adresses IP .........................................................................213 Figure 155: Entête IP.......................................................................................................214 Figure 156: Options de la trame IP ..................................................................................217 Figure 157 : Entête ARP ..................................................................................................218 Figure 158: Structure réseau Ethernet.............................................................................220 Figure 159: Reseau avec routeurs...................................................................................224 Figure 160: Protocole MODBUS......................................................................................229 Figure 161 : Principe des échanges de données en MODBUS .......................................229 Figure 162 : Échange Maître vers 1 esclave (MODBUS).................................................230 Figure 163 : Échange Maître vers tous les esclaves (MODBUS) ....................................230 Figure 164: HART protocol ..............................................................................................235 Figure 165 : Application d’une communication en HART.................................................236 Figure 166 : Configuration en réseau point par point.......................................................236 Figure 167 : Configuration en réseau d’une multi boucle.................................................237 Figure 168 : Mode d’opération du protocole HART..........................................................238 Figure 169: HART specifications .....................................................................................240


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10. SOMMAIRE DES TABLES Table 1 : Les étapes d’un effacement général de la CPU..................................................29 Table 2: Les normes pour les fréquences........................................................................123 Table 3: Normes de protection des câbles.......................................................................125 Table 4 : Principales caractéristiques d’une liaison RS485..............................................145 Table 5 : Correspondance débit/distance pour un câble de type A..................................147 Table 6 : Principales caractéristiques de la liaison CEI1158-2 ........................................149 Table 7 : Câble de référence CEI 1158-2 ........................................................................150 Table 8 : Alimentations normalisées pour un réseau profibus sur une liaison CEI1158-2151 Table 9 : Longueur de ligne sur une liaison CEI1158-2 ...................................................151 Table 10 : Propriétés de la fibre optique ..........................................................................151 Table 11 : Les différents services de la couche de sécurisation de données de PROFIBUS (couche2)..................................................................................................................154 Table 12 : Les paramètres du bloc fonction Entrée Analogique.......................................173 Table 13 : Comparaison entre réseau bureautique et industriel ......................................202


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