Introduction aux réseaux de communication industriels

1. Introduction aux réseauxde communication industriels Chapitre 1 : Notions de base Chapitre 2 : Les besoins et le positionnement des principaux réseaux Chapitre 3 : Le modèle ISO Chapitre 4 : Les supports physiques Chapitre 5 : Les principaux moyens d ’accès au médium Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Chapitre 7 : Les produits d ’interconnexion

2. Introduction aux réseauxde communication industriels Chapitre 8 : ASi Chapitre 9 : CANopen Chapitre 10 : DeviceNet Chapitre 11 : Ethernet - TCP/IP - Modbus Chapitre 12 : Profibus-DP Chapitre 13 : FIPIO

3. Introduction aux réseauxde communication industriels Chapitre 14 : Interbus Chapitre 15 : Modbus Chapitre 16 : Tableau comparatif des principaux réseaux Chapitre 17 : Aperçu de l ’offre de communication IA Chapitre 18 : La fonction communication traitée par PL7

4. Chapitre 1 : Notions de base Coupleur de communication Coupleur de communication Informations Réception Emission Médium Informations Réception Emission Emetteur / Récepteur Les éléments mis en œuvre lors d ’une communication Emetteur / Récepteur Les informations sont des éléments physiques (lumière, son, image, tension électrique etc…) auxquels un sens a été attribué.

5. Chapitre 1 : Notions de base Les informations peuvent être transmises sous forme analogique : évolution continue de la valeur Ou sous forme numérique : évolution discontinue de la valeur (échantillonnage) 1 0 Les techniques de transmission

6. Chapitre 1 : Notions de base Les types de transmission Transmission simplex : mono-directionnel Transmission half duplex : bi-directionnel alterné Transmission full duplex : bi-directionnel simultané

7. Chapitre 1 : Notions de base EMETTEUR EMETTEUR RECEPTEUR RECEPTEUR Les types de transmission • Transmission série : La liaison nécessite en général 3 fils : émission, réception et masse. Les bits d ’un octet sont transmis les uns à la suite des autres. 1 Caractère de 8 bits 11010101 1 Caractère de 8 bits • Transmission parallèle : • Les bits d ’un octet sont transmis simultanément. • Utilisé pour des courtes distances, chaque canal ayant tendance à perturber ses voisins la qualité du signal se dégrade rapidement. 1 1 0 1 0 1 0 1

8. Chapitre 1 : Notions de base Les types de transmission série • Transmission série synchrone : Les informations sont transmises de façon continue. Un signal de synchronisation est transmis en parallèle aux signaux de données. • Transmission série asynchrone : • Les informations peuvent être transmises de façon irrégulière, cependant l ’intervalle de temps entre 2 bits est fixe. • Des bits de synchronisation (START, STOP) encadrent les informations de données.

9. Chapitre 1 : Notions de base Les réseaux de communication industriels Pour des raisons liées au coût et à la robustesse, la plupart des réseaux de communication industriels utilisent : une transmission numérique série asynchrone half-duplex.

10. Chapitre 2 : Besoins et positionnement des principaux réseaux Réseaux informatiques (Data Bus) Réseaux locaux industriels Pilotage de processus (Field Bus) Ethernet TCP/IP FTP - HTTP CANopen Bus de terrain FIPWAY Ethernet TCP/IP ModbusProfileNet FIPIO ( Device Bus) Modbus Plus Profibus-DP Bus capteurs DeviceNet Interbus actionneurs ( Sensor Bus) Pilotage de machine Modbus AS-i Simples Evolués Positionnement des principaux réseaux et bus

11. Chapitre 2 : Besoins et positionnement des principaux réseaux Niveau 3 Entreprise Système d ’information 1 1 Mbits minute 1 kbits Niveau 2 Atelier Gestion de production Supervision 1 s NOMBRE D'INFORMATIONS VITESSE A TRANSMETTRE Niveau 1 Machines Le contrôle commande DE REACTION NECESSAIRE Niveau 0 Capteurs Actionneurs Les constituants 1 bit 1 ms Concept CIM Computer Integreted Manufacturing Les besoins en communication industrielle

12. Chapitre 2 : Besoins et positionnement des principaux réseaux Stratégie réseau de la branche Industrie de Schneider • Core Networks( Fondamental ) • Ethernet TCP / IP & Modbus • Aux niveaux 2 et 3 : système d ’information et contrôle (inter-automates) • à étendre au niveau bus de terrain (niveau 1) • CANopen • Comme bus interne d ’équipements (ex : STB) • .ASi • Pour la connexion des capteurs actionneurs (niveau 0) • Modbus RS 485 • Quand Ethernet ne convient pas (prix, topologie ...)

13. Chapitre 2 : Besoins et positionnement des principaux réseaux Stratégie réseau de la branche Industrie de Schneider • Legacy Networks(legs) • ..FIPIO, Modbus Plus, Uni-Telway, Seriplex • Connectivity Networks (ouverture) Approche pragmatique quand le marché impose sa solution • .DeviceNet(Allen-Bradley) - Profibus(Siemens) - Interbus(Phoenix) ...

14. ISO = International Organization for Standardization Chapitre 3 : Le modèle ISO Organise et synchronise les échanges entre utlisateurs STATION SESSIONLAYER COUCHE PHISIQUE COUCHELIAISON COUCHETRANSPORT COUCHE RESEAU COUCHE PRESENTATION 1 5 6 3 2 4 Exemple : Modbus, UNITE COUCHE APPLICATION 7 Protocole : définit un langage commun d ’échanges entre les équipements (sémantique et signification des informations) Transcodage du format : pour permettre à des entités de nature différente de dialoguer (ex: PC / Mac) Notion de réseau Exemple: TCP/IP Contrôle de l ’acheminement de bout en bout : reprise sur erreurs signalées ou non par la couche réseau Routage des données : établissement du chemin entre différents réseaux Notion de bus Contrôle de la liaison : adressage, correction d ’erreur, gestion du flux Gestion de l’accès au médium : définit quand on peut émettre Le hardware : le médium utilisé : paire torsadée, câble coaxial, fibre optique…, la forme des signaux véhiculés, la connectique TCP : Transmission Control Protocol (Couche 4) IP : Internet Protocol (Couche 3) Description du modèle ISO

15. ISO = International Organization for Standardization Chapitre 3 : Le modèle ISO Programme Utilisateur Programme Utilisateur COUCHETRANSPORT COUCHE RESEAU COUCHELIAISON COUCHE PHISIQUE COUCHE PHISIQUE COUCHE RESEAU COUCHETRANSPORT COUCHELIAISON 5 4 3 2 1 6 2 4 3 1 5 6 COUCHE APPLICATION 7 COUCHE APPLICATION 7 Description du modèle ISO

16. Chapitre 3 : Le modèle ISO Trame Modbus RTU Demande de lecture des mots numéro W5 et W6 de l ’esclave adresse 7 2 1 1 2 2 Octets Adr. esclave = 7 Code fonction = 3 Numéro du 1er mot = 5 Nombtre de mots à lire = 2 CRC 16 Trame Etenrnet TCP-IP 46 à 1500 8 6 6 2 20 20 4 Octets LLC IP TCP Ad. Source AD. Destin. Contrôle FCS Préambule Couches application FTP, HTTP , SMTP Modbus etc... Exemples de trames respectant le modèle ISO

17. Chapitre 4 : Les supports physiques Les supports physiques Les principaux supports utilisés Quelques standards électriques en paire torsadée Les différentes topologies

18. Chapitre 4 : Les supports physiques Les supports de transmission ou MEDIUMS influent sur : • vitesse • distance • immunité électro-magnétique Coût du médium Faible La paire de fils torsadés Le plus simple à mettre en œuvre, et le moins cher. Le câble coaxial La fibre optique Il se compose d’un conducteur en cuivre, entouré d’un écran mis à la terre. Entre les deux, une couche isolante de matériau plastique. Le câble coaxial a d’excellentes propriétés électriques et se prête aux transmissions à grande vitesse. Important Ce n’est plus un câble en cuivre qui porte les signaux électriques mais une fibre optique qui transmet des signaux lumineux. Convient pour les environnements industriels agressifs, les transmissions sont sûres, et les longues distances. Les principaux supports utilisés Mediums les plus utilisés :

19. Chapitre 4 : Les supports physiques Quelques standards paire torsadée • RS232 : • Liaison point à point 2 fils.Distance < 15 mètres, débit < 20 kbits/sec. • RS485 : • Bus multipoint half duplex (bi directionnel alterné) sur 2 fils. • Mêmes caractéristiques que RS422A mais sur 2 fils. • RS422A : • Bus multipoint full duplex (bi directionnel simultané) sur 4 fils. • Bonne immunité aux parasites, distance maxi 1200 mètres à 100 kbits/sec. • 2 fils en émission, 2 fils en réception.

20. Chapitre 4 : Les supports physiques TOPOLOGIE MAILLEE (les équipements sont reliés TOPOLOGIE POINT A POINT (entre 2 unités en entre eux pour former une communication) toile d’araignée. Pour atteindre un noeud , plusieurs chemins sont possibles) TOPOLOGIE EN ETOILE (plusieurs unités communiquent par leur TOPOLOGIE EN ANNEAU (toutes les unités sont montées propre ligne avec une en série dans une boucle fermée. unité dite Centrale) Þ les communications doivent traverser toutes les unités pour arriver au récepteur) TOPOLOGIE EN ARBRE (c’est une variante de la topologie en étoile) TOPOLOGIE BUS (le réseau se compose d’une ligne principale à laquelle toutes les unités sont connectées) Les différentes topologies

21. Chapitre 5 : Les principaux moyens d ’accès au médium Les principaux moyensd ’accès au médium Maître - Esclave Anneau à jeton Accès aléatoire

22. Chapitre 5 : Les principaux moyens d ’accès au médium Polling Quelque chose à dire ? Rien à déclarer Réponse Ex : Profibus-DP , Unitelway, Modbus, ... Maître - Esclave Se situe au niveau de l ’accès au médium Le MAITRE est l ’entité qui accorde l ’accès au medium. L’ESCLAVE est l ’entité qui accède au médium après sollicitation du maître. MAITRE ESCLAVE

23. Chapitre 5 : Les principaux moyens d ’accès au médium Adresse 2 Adresse 3 Adresse 1 Ex : Modbus Plus Adresse 4 Anneau à jeton = Token ring Se situe au niveau de l ’accès au médium Les membres d ’un ANNEAU logique ont l ’autorisation d ’émettre lors de la réception du jeton. Le JETON est un groupe de bits qui est passé d ’un nœud au suivant dans l ’ordre croissant des adresses.

24. Chapitre 5 : Les principaux moyens d ’accès au médium Adresse 2 Adresse 3 Adresse 1 Adresse 4 Accès aléatoire Se situe au niveau de l ’accès au médium Carrier Sense Multiple Access Un ensemble de règles détermine comment les produits sur le réseau réagissent lorsque deux équipements tentent d ’accéder au médium en même temps (collision). Discussion informelle entre individus indisciplinés : Dès qu ’un silence est détecté, celui qui désire parler prend la parole.

25. Chapitre 5 : Les principaux moyens d ’accès au médium Ex : Ethernet Ex : CAN CSMA/CD CSMA/CA CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access Collision Detect: Collision destructive 1 - Détection de la collision 2 - Arrêt de transmission de la trame 3 - Emission d ’une trame de brouillage 4 - Attente d ’un temps aléatoire 5 - Ré-émission de la trame CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance : Collision non destructive collision 1 - Détection de la collision non destructive (bits récessifs et dominants) 2 - L ’équipement avec la priorité la plus basse cesse d ’émettre 3 - Fin de transmission de l ’équipement le plus prioritaire 4 - L ’équipement avec la priorité la plus basse peut émettre sa trame

26. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Les concepts utilisésau niveau application Client - Serveur Producteur - Consommateur Types de traffic Notion de profil

27. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Requête Peux tu m ’envoyer la configuration du départ moteur N°3 STP ? Pas de problème, voilà le fichier complet ! CLIENT SERVEUR Réponse Ex : Modbus Client - Serveur Se situe au niveau applicatif entre 2 équipements Le CLIENT est une entité demandant un service sur le réseau Le SERVEUR est l’entité qui répond à une demande d ’un client Necessite écriture programme dans l ’automate (requêtes)

28. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Je vais rater mon train !!! Il est 18h00 CONSOMMATEUR N°1 Et si j ’allais au cinéma... PRODUCTEUR CONSOMMATEUR N°2 Ex : CANopen DeviceNet Producteur - Consommateur Se situe au niveau applicatif entre 1 et plusieurs équipements Le PRODUCTEUR est une entité (unique) qui fournit une information. Le CONSOMMATEUR est une entité qui l ’utilise (plusieurs entités peuvent utiliser la même information).

29. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Ex : FIPIO , E/S en Cycliques, les paramètres et configurations en acycliques Types de traffic Variables cycliques : Ce sont des informations rafraîchis périodiquement à une cadence prédéfinie. Ce sont des informations de process. Quelques informations rafraîchies rapidement. Variable acycliques : Ce sont des informations rafraîchis suite à une requête ou à un événement. Elles sont utilisées à la mise sous tension pour la configuration et le réglage, ou en cas de défaut pour le diagnostic. Beaucoup d ’informations sans contrainte de temps.

30. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Système ouvert Un système ouvert est constitué de constituants interopérables et interchangeables L ’interopérabilité est la faculté de communiquer de manière intelligible avec d ’autres équipements. Elle est atteinte par le strict respect des spécifications du protocole. L ’interchangeabilité est la faculté de pouvoir remplacer un équipement par un autre (provenant éventuellement d ’un autre constructeur). Elle est atteinte par le respect des spécifications de profils. Chaque constructeur conserve la possibilité de définir s ’il le désire des fonctionnalités qui lui sont propres en dehors du profil minimal ou noyau.

31. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Notion de profil Un profil est un moyen standardisé de décrire les fonctionnalités garantissant l ’interchangeabilité de constituants. Cette description respecte une syntaxe stricte. Les informations sont regroupées par fonctionnalités : • identification : nom du produit, référence, version, famille, fabriquant • caractéristiques relatives à la communication : débits supportés, type et taille de messages échangés... • caractéristiques relatives au métier : variables accessibles en écriture, en lecture, lecture, a l ’arrêt, en marche etc... La plupart des profils se matérialisent parfichier électronique : fichier EDS, fichier GSD… livré sur disquette ou CD-ROM avec le produit. Ce fichier permet de connaître « off line » les caractérisriques de l ’équipement.

32. Chapitre 6 : Les concepts utilisés au niveau application Extrait du fichier EDS CANopen TEGO Power Quickfit [MandatoryObjects] SupportedObjects=2 1=0x1000 2=0x1001 [1000] ParameterName=Device Type ObjectType=0x7 DataType=0x0007 AccessType=ro DefaultValue=0x30191 PDOMapping=0 [FileInfo] CreatedBy=Martin Rostan ModifiedBy=Martin Rostan Description=EDS for Tego Power CANopen CreationTime=10:05PM CreationDate=01-17-2001 ModificationTime=10:35PM ModificationDate=01-17-2001 FileName=F:\Produkte\Tego Power\APP1CCO0 FileVersion=1 FileRevision=1 EDSVersion=4 [DeviceInfo] VendorName=Schneider Electric SA (France) VendorNumber=90 ProductName=APP-1CCO0 ProductNumber=1 RevisionNumber=1 OrderCode=APP-1CCO0 BaudRate_10=0 BaudRate_20=0 BaudRate_50=0 BaudRate_125=1 BaudRate_250=1 BaudRate_500=1 BaudRate_800=0 BaudRate_1000=1

33. Chapitre 7 : Les produits d'interconnexion Les produits d'interconnexion Répéteur = Repeater Concentrateur = hub Switch Convertisseur = transceiver Pont = Bridge Routeur = Router Passerelle = Gateway

34. Chapitre 7 : Les produits d'interconnexion Répéteur = Repeater Permet l’extension d’un réseau par segments Il amplifie et rétablit le même type de signal 1 1 Exemple = répéteur RS485 Segment 1 Segment 2 Concentrateur = Hub Permet l’extension d’un réseau en étoile Il amplifie et rétablit le même type de signal sur tous les ports 1 1 1 1 Exemple = Hub Ethernet (Ne diminue pas le nombre de collisions) Switch Permet l’extension d’un réseau en étoile Il amplifie et rétablit le même type de signal sur un seul port. 1 1 1 1 Exemple = Switch Ethernet (Permet de diminuer le nombre de collisions) Répéteur - Hub - Switch

35. Chapitre 7 : Les produits d'interconnexion Convertisseur = Transceiver Permet l’extension d’un réseau par segments de nature différentes. 1 1 Exemple = convertisseur RS232/RS485 Segment 1 Segment 2 Pont = Bridge Permet de relier 2 réseaux utilisant le même protocole mais des couches basses différentes 2 2 1 1 Exemple = Bridge Modbus RS485 / Ethernet TCP-IP Réseau 1 Réseau 2 Transceiver - Bridge

36. Chapitre 7 : Les produits d'interconnexion Routeur = Router Permet de relier 2 réseaux de même nature. 3 3 2 2 Exemple = Routeur Ethernet TCP-IP 1 1 Réseau 1 Réseau 2 Passerelle = Gateway 7 7 Permet de relier 2 réseaux de nature différente 2 2 Exemple = Passerelle FIPIO / Modbus 1 1 Réseau 1 Réseau 2 Routeur - Passerelle

37. Chapitre 8 : ASi ASi Historique ASi et le modèle ISO La couche physique La couche liaison La couche application Les profils Points forts- points faibles

38. Chapitre 8 : ASi Historique • 1990 : 11 sociétés et 2 universités majoritairement allemandes créent le consortium ASi afin de définir une interface « low cost » pour raccorder des capteurs et actionneurs • 1992 : Premiers chips disponiblesCréation de l ’association ASi internationale : http://www.as-interface.net/basée en Allemagne. Schneider entre dans l ’association. • 1995 : Création d ’associations nationales de promotion (France, Pays Bas, UK) • 2001 : Spécifications ASi V2 : 62 esclaves, support de produits analogiques, diagnostic amélioré. Intégration de produits de sécurité : « Safety at work »

39. Chapitre 8 : ASi ASi et le modèle ISO Interfaces E/S TOR génériques Capteurs TOR Départ moteurs E/S analogiques etc... 3 couches utilisées + des profils 7 APPLICATION Client / Serveur via requêtes 6 PRESENTATION VIDE VIDE 5 SESSION 4 TRANSPORT VIDE 3 RESEAU VIDE Maître / esclave 2 LIAISON = LLC + MAC 1 PHYSIQUE Alimentation et communication sur le même support

40. Chapitre 8 : ASi Auxiliaire AS-i La couche physique Medium : Câble plat jaune 2 fils avec détrompagePossibilité utilisation câble rond non blindé Topologie : Libre BUS (Pas de fin de lignes) Distance maximum : 100 m sans répéteur 500 m avec répéteurs (2 répéteurs max entre le maître et l ’esclave le plus éloigné) Débit : 167 Kbits/s ( 5 ms 31 esclaves ) 1 transaction (data exchange) dure 150 micro-sec. Temps de cycle = 5 ms pour 31 esclaves 10 ms pour 62 esclaves Nbre max équipements : ASi V1 : 1 maître + 31 esclavesASi V2 : 1 maître + 62 esclaves A/B & ou

41. Chapitre 8 : ASi Connecteur débrochable ASI+ ASI- Bornier à vis ou à ressort Prise vampire Prise M12 4 3 5 1 2 ASI+ ASI- Les types de raccordement 4 types de raccordement définis dans la charte ASi Schneider ~ Alimentation classique IP20 IP65 24 V = + - AS-i + AS-i - Câble noir Données Alim. Esclave Actionneur Câble jaune Données & alim. Esclave Capteur

42. Chapitre 8 : ASi Exemple d ’architecture Alimentation double Asi-24 V Quantum Premium Bus ASi (câble jaune) Micro Répartiteur passif Alimentation 24 V (câble noir) SEGMENT 1 Répartiteur actif Répéteur Conversion câble plat - câble rond Alimentation ASi SEGMENT 2 Té Boîte à boutons Départ-moteur coffret

43. Chapitre 8 : ASi La couche liaison Méthode d ’accès au médium : Maître / Esclave Le temps de cycle AS-i est court et répétitif. Requête maître esclave :14 Bits X 6 µs = 84 µs Requête du maître 0 0 0 P 1 Pause maître : 3 X 6 µs = 18 µs 6µs adresse de l'esclave commandes (sorties sur 4 bits) Maître Esclave Echange maxi. de 4E & 4S sur un cycle Pause esclave : 2 X 6 µs = 12 µs Réponse de l'esclave Réponse esclave maître :7 Bits X 6 µs = 42 µs Soit 156 µs x 31 = 4,8 ms 0 P 1 état (entrées sur 4 bits) P=Parité

44. Chapitre 8 : ASi La couche application Variables vues dans PL7:%I \ R.M.V \ I.X et %Q \ R.M.V \ I.X I: Point de connexion 1  31 X: Voie 0  3 R: Rack M: Module V: Voie (0) %I \ 4.0 \ 1.0

45. Chapitre 8 : ASi Les profils Pour garantir l ’interchangeabilité des produits, chaque esclave ASi est identifié et défini par un profil figé gravé dans le silicium (Read only). Le profil des esclaves ASi V1 est défini par 2 digits hexa-décimaux. Le profil des esclaves ASi V2 est défini par 4 digits hexa-décimaux.

46. Chapitre 8 : ASi Les profils ASi V1 : 2 digits Profil = IO_code . ID_code IO_code = indique le nombre d’entrées et sorties de l’équipement (0 to F) ID_code = indique le type d’équipement (0 to F) ASi V2 : 4 digits Profil = IO_code . ID_code .ID1_code . ID2_code IO_code = indique le nombre d’entrées et sorties de l’équipement (0 to F) ID_code = indique le type d’équipement (0 to F) ID1_code = utilisé pour la personnalisation client du produit (0 to F) ID2_code = indique le sous type du produit (0 to F)

47. Chapitre 8 : ASi Points forts - points faibles Points forts • Temps de cycle rapide et déterministe • Facilité de câblage • Simplicité d ’utilisation car très bien intégré dans PL7 • Evolution de l ’architecture aisée Points faibles • Quelques bits échangés • Nombre d ’esclaves maximum • Longueur du bus : 100 m

48. Chapitre 9 : CANopen CANopen Historique CANopen et le modèle ISO La couche physique La couche liaison La couche application Les profils Points forts- points faibles

49. Chapitre 9 : CANopen Historique • 1980-1983 : Création de CAN à l ’initiative de l ’équipementier allemand BOSCH pour répondre à un besoin de l ’industrie automobile. CAN ne définit qu ’une partie des couches 1 et 2 du modèle ISO. • 1983-1987 : Prix des drivers et micro-contrôleurs intégrant CAN très attractifs car gros volume consommé par l ’automobile • 1991 : Naissance du CIA = CAN in Automation : http://www.can-cia.de/pour promouvoir les applications industrielles

50. Chapitre 9 : CANopen Historique • 1993 : Publication par leCiA des spécifications CAL = CAN Application Layer qui décrit des mécanismes de transmission sans préciser quand et comment les utiliser. • 1995 : Publication par leCiA du profil de communication DS-301 : CANopen • 2001 : Publication par le CIA de la DS-304 permettant d ’intégrer des composants de sécurité de niveau 4 sur un bus CANopen standard (CANsafe).