RÉSEAUX ET AUTOMATISME

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1 Les bus de communication dans l industrie RÉSEAUX ET AUTOMATISME TCP/IP Préambule Utilisation du réseau dans l industrie. Les automates ont besoin de communiquer Pour remonter de l information Pour synchroniser les automatismes Téléchargement des images du systèmes Diagnostique 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 2 1

2 AUTOMATE PROGRAMMABLE 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 3 TCP/IP Automate Programmable Industriel Un Automate Programmable Industriel, ou API, est un dispositif électronique programmable destiné à la commande de processus industriel par un traitement séquentiel. Il envoie des ordres vers les préactionneurs (moteurs, vérins ) à partir de données d entrées (capteurs), de consigne et d un programme informatique. Il se caractérise par rapport aux ordinateurs par : Sa robustesse : Travaille en milieu hostile, utilisation de circuits durcis, prévus pour résister aux vibrations, aux températures des ateliers etc. Sa réactivité aux indications fournies par les capteurs Sa facilité de maintenance : Les modules peuvent être changés très facilement et le redémarrage des API est très rapide. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 4 2

3 TCP/IP Structure générale 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 5 TCP/IP Structure interne 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 6 3

4 TCP/IP Fonctionnement de l API La durée moyenne d un temps de cycle est de 5 à 15 ms. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 7 TCP/IP Les besoins de communication Programmation de l automatisme Téléchargement de l applicatif Absence d IHM permanente Les automates sont reliés à un pupitre pour visualiser l'action et le fonctionnement du programme sur la partie opérative Synchronisation des processus L interconnexion des automates permet d accroitre la productivité. Un ordinateur peut être utilisé pour effectuer de la supervision. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 8 4

5 TCP/IP Interconnexion simple L'interconnexion est réalisée en reliant une ou plusieurs sorties d'un automate à des entrées de l'autre et vice-versa Cette méthode ne permet pas de transférer directement des variables internes d'un automate à l'autre. Elle devient coûteuse en nombre d entrées/sorties mobilisé pour cet usage et lourde du point de vue du câblage, lorsque le nombre d information à échanger est important. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 9 Besoin de communication Introduction d Ethernet / TCP Mesures automatisées IEE488 Utilisation d Ethernet Bus de terrain Pour diminuer les coûts de câblage sont apparus les bus de terrains. L'utilisation de blocs d'entrées / sorties déportés à permis tout d'abord de répondre à cette exigence. Les capteurs, détecteurs sont devenus "intelligents" et ont permis de se connecter directement à un bus. Plusieurs protocoles de communication sont apparus pour assurer le "multiplexage" de toutes les informations en provenance des capteurs et des préactionneurs Exemple le bus ASi(Actuators Sensors interface) 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 10 5

6 TCP/IP Bus de terrain Avantages des bus de terrain : Réduction des coûts de câblage et possibilité de réutiliser le matériel existant Réduction des coûts de maintenance Inconvénients des bus de terrain : Taille du réseau limitée Latence dans les applications à temps critique Coût global 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 11 TCP/IP Réseau d automates en étoile Un centre de traitement commun échange avec chacune des autres stations. Deux stations ne peuvent pas échanger directement entre elles. Exemple le réseau de terrain BITBUS de la société INTEL 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 12 6

7 TCP/IP Réseau d automates en étoile Avantagesde la structure en étoile : Grande vitesse d'échange. Différent types de supports de transmission. Pas de gestion d'accès au support. Inconvénients de la structure en étoile : Coût global élevé. Evolutions limitées. Tout repose sur la station centrale. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 13 TCP/IP Réseau d automates en anneau Chaque station peut communiquer avec sa voisine. Cette solution est intéressante lorsqu'une station doit recevoir des informations de la station précédente ou en transmettre vers la suivante. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 14 7

8 TCP/IP Réseau d automates en anneau Avantagesde la structure en anneau : Signal régénéré donc fiable. Contrôle facile des échanges (le message revient à l'émetteur). Inconvénients de la structure en anneau : Chaque station est bloquante. Une extension demande d interrompe momentanément le réseau. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 15 TCP/IP Réseau hierarchisé C'est la forme de réseaux la plus performante. Elle offre une grande souplesse d'utilisation, les informations peuvent circuler entre stations d'un même niveau ou de la station la plus évoluée à la moins évolué et réciproquement. Cette structure permet de gérer au mieux la production. Elle permet les interconnexions à un mini-ordinateur ou à un automate de supervision 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 16 8

9 TCP/IP Exemple de supervision 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 17 TCP/IP Exemple de remontée d informations 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 18 9

10 TCP/IP Support de communication Liaison série RS232 (mono point) Configuration de l automate Dialogue avec pupitre de commande Un des principaux problèmes des liaisons séries est l'absence d'immunité pour le bruit sur les lignes de signal. Il limite à la fois la distance maximale et la vitesse de communication. L'émetteur et le récepteur comparent les tensions par rapport à une masse commune en ligne. Un changement dans le niveau du potentiel de terre peut avoir des effets désastreux. Liaison différentielle RS485 (multi points) Il n'y a pas une masse commune comme signal de référence. La transmission est différentielle Le récepteur compare la différence de tensionentre les deux lignes, au lieu d un niveau de tension absolue sur une ligne de signal. La transmission se fait sur une paire torsadée, par des variations de tension en mode différentiel. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 19 TCP/IP Caractéristiques électriques RS485 Caractéristiques Min. Max. Tension du générateur en circuit - ±6 V ouvert (VAB) Courant de sortie en court-circuit (I0) ma Résistance interne du générateur 50 Ω 100 Ω Résistance de charge (RL) 100 Ω - Capacité parallèle (CL) pf Vitesse - 10 Mbit/s Longueur de câble - 1km 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 20 10

11 TCP/IP Connexion via Internet En automatisme industriel, on parle aussi d'automates de télégestion. via Internet, on vient modifier ou visualiser à distance les données ou le programme des automates de gestion des installations commandées : chaudières collectives, stations d'épuration, château d eau etc. Utilisation de modem-routeurs souvent associés à un logiciel assurant une liaison sécurisée (VPN). 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 21 PROFIBUS 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 22 11

12 TCP/IP PROFIBUS - PROcess FIeld BUS Projet allemand : Bosch, Siemens, Standardisation: DIN (1991), EN50170 (1996), IEC (1999). Leader du marché des bus de terrain avec plus de 30 millions d'appareils installés sur tous les continents fin (sources Association France PROFIBUS/PROFINET) Variantes FMS Fieldbus Message Specification (Messagerie industrielle entre automates), le premier à avoir été utilisé. PA Process Automation (Alimentation et signal sur un même câble, jusqu à kbits/s.) DP Decentralized Periphery (Jusqu à 12 Mbits/s.) 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 23 TCP/IP ProFiBus Couche physique Paire torsadée blindée isolée par une feuille conductrice et une tresse. Fil vert : A, transporte le signal RxD/TxD-N Fil rouge : B, transporte le signal RxD/TxD+N Résistances de terminaison équivalentes à l impédance du câble pour polariser la ligne en l absence de signal. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 24 12

13 TCP/IP ProFiBus Débit et Longueur La distance maximale et le débit sont liés, le bus accepte jusqu à 32 équipements sans répéteur et 126 équipements avec répéteur. L utilisation d un répéteur régénérant le signal permet de cascader les segments. Il ne doit pas y avoir plus de 9 répéteurs entre un équipement et le maître. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 25 TCP/IP ProFiBus- Codage Codage NRZ 1 bit de start 8 bits de donnée 1 bit de parité paire 1 bit de stop Ordre des bits : LSB d abord. Lors de la transmission de données composées de plusieurs octets.les octets de poids fort sont transmis d abord. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 26 13

14 TCP/IP ProFiBus- Télégrammes Une trame ProFiBusce nome un Télégramme Les divers types de télégrammes sont identifiés par leur SD et les fonctions possibles pour chaque type, identifiées par FC. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 27 TCP/IP ProFiBus- Adressage Plage d adresses de 0 à : en général utilisée par les outils de diagnostic. 1 à 125 : adresses librement utilisables pour les maîtres et esclaves 126 : réservée pour les équipements dont l adresse est définie par le bus 127 : adresse de diffusion (message reçu par tous les esclaves) La configuration de l adresse d un esclave est en général, faite par des interrupteurs sur le boîtier. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 28 14

15 TCP/IP ProFiBus Maître / Esclave Le maître envoie une requête à un esclave. L esclave renvoie une réponse en retour. Ainsi, pas de risque de collision. Polling successif des différents esclaves Fonctionnement cyclique Le temps de cycle dépend du nombre d esclaves et de la taille des données échangées 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 29 TCP/IP ProFiBus Multi maître Les différents maîtres accèdent à tour de rôle au bus et Ils s échangent un «jeton». Le propriétaire de ce jeton à le droit d utiliser le bus. Lorsqu il a fini son cycle, il envoie un télégramme au maître suivant. Les règles suivantes s appliquent Un seul maître peut écrire vers un esclave. Tous les maîtres peuvent lire tous les esclaves. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 30 15

16 TCP/IP Tendance technologique dans l automatisation Il existe une tendance d évolution des structures de contrôle centralisées vers des unités locales intelligentes réparties Utilisation d Ethernet à tous les niveaux de l automatisation Intensification de l utilisation des standards informatiques dans l automatisation Les mondes informatiques et de l automatisation évoluent ensemble 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 31 PROFINET 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 32 16

17 TCP/IP ProFiBus- Convergence Ethernet PROFINETest une extension du réseau Ethernet standard aux applications industrielles (standard ouvert de Profibus International PI). IntègrePROFIBUS, et d'autres bus de terrain, ainsi que des technologies informatiques de plus haut niveau telles que les ERP et MES, Connexion fluide entre les différentes couches de l'entreprise industrielle depuis le terrain jusqu'à la gestion de production. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 33 TCP/IP Ethernet + TCP/IP Industriel Contre TCP/IP Protectionnisme commerciale et politique Chaque Bus de Terrain a ses propres caractéristiques et avantages TCP/IP n est pas temps réel Capacité mémoire importante et processeur puissant Pour TCP/IP Le PC Industriel est présent dans le secteur industriel Faible coût des cartes Ethernet pour PC Protocole TCP/IP bas niveau = Sockets BSD Interconnexion existante : ponts, routeurs, passerelles Services Internet (IT) Télémaintenance Supervision 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 34 17

18 TCP/IP Profinet Classes d application Le standard PROFINET définit trois classes de prestation différentes : PROFINET NRT (Non Real Time) a été défini pour les applications non temps réel Diagnostique, web Utilise Protocoles standards comme UDP/IP. Avec des temps de cycle atteignables > 100 ms PROFINET RT (Real Time) L'échange de données E/S s'effectue ici directement via le protocole Ethernet. permet de réaliser des applications dont les temps de cycle > 10 ms. (Performance similaire aux réseaux de terrain actuels) Automatisation d usine PROFINET IRT (IsochronousReal Time) rend possibles des applications ayant des temps de cycle < 1 ms et une déviation (jitter) < 1 µs. On obtient ce résultat en utilisant un matériel spécifique à l'interface Ethernet Motion contrôle (contrôle de mouvements) 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 35 TCP/IP Profinet Communication temps réel Solution uniforme pour toute les applications d automatisations manufacturières (incluant le contrôle de mouvements) Temps réel, communication TCP/IP simultanément sur le même cable. C est un Ethernet Temps Réel 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 36 18

19 TCP/IP Profinet Coté application Côté application, on distingue trois types d'appareils différents : Le contrôleur E/S, l'api classique (maître) qui met en place des connexions vers les appareils, échange des données et contrôle ainsi le système ; La station E/S, l'appareil (esclave) attribué à la commande qui échange des données avec cette dernière ; Le superviseur E/S, l'interface de programmation, pour la mise en service et le diagnostic sur le réseau. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 37 TCP/IP Profinet et le Modèle OSI 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 38 19

20 TCP/IP Profinet avec IRT FastEthernet avec technologie de commutation (100Mbits/s) Synchronisation commutateurs Cycle de communication déterministe Réservation de tranches de temps Echange rapide et simultané des valeurs réelles-consigne Condition pour l isochronisme Indispensable pour les tâches de Motion Control Performances garanties pour le mouvement et la communication IP 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 39 TCP/IP Séquencement des mécanismes de communication Slots Time spécifiques pour la communication temps réel grâce à la réservation de bande passante Domaines de temps séparés pour le temps réel et le trafic TCP/IP Les performances Real-time ne sont pas influencées par le trafic TCP/IP ou broadcast/multicast Cycle de contrôle et synchronisation de cycle extrêmement précis (Jitter <1µs) Performance élevée même avec une cascade importante de commutateur 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 40 20

21 TCP/IP Caractéristique des commutateurs Commutateur type Cut-Through Cisco Industrial Ethernet 3000 Series Switches 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 41 TCP/IP Connectique En armoire : Connecteurs RJ45 Hors-armoire : IP65/67 Compatible RJ45, M12, SC-RJ Push-pull Connecteurs Hybrides (Ethernet + Alimentation) Connecteurs Optiques (ST, SC-RJ) 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 42 21

22 TCP/IP Le Wifi avec Profinet 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 43 TCP/IP Trame Ethernet Temps Réel 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 44 22

23 TCP/IP Profinet RT Utilisation des VLAN La priorité définit est traité en premier au niveau du commutateur. ProfInet-RT a la priorité la plus élevée = 6 Le champs type «Prioity» est enlevé de la trame, après le commutateur. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 45 TCP/IP Structure de la trame Profinet type 0x /03/2013 UE1 - Bus de communication 46 23

24 TCP/IP Structure de la trame Profinet type 0x /03/2013 UE1 - Bus de communication 47 TCP/IP Analyse de trames avec Wireshark Colorisation possible des différents types de trame Filtrage soit sur l adresse IP d un appareil, soit sur le type 0x8892 : eth.type == 0x8892 ou ether proto 0x /03/2013 UE1 - Bus de communication 48 24

25 MODBUS 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 49 TCP/IP Présentation ModBus Domaines d'utilisation: Manufacturier, Infrastructures, Energie, Bâtiment Historique: 1979: Création de MODBUS par MODICON (Modular Digital Controller) 1994: Modiconfusionne avec Schneider ( Telemecanique / April / Square D ) 2003: Transfert de compétences Schneider à MODBUS-IDA 2004: Pré-Standard international IEC : MODBUS/TCP leader mondial ( nœuds) 2005: MODBUS adopté en tant que standard chinois 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 50 25

26 TCP/IP Communication avec ModBus LesAutomates Programmables Industriels (API) utilisent largement le protocole série Modbus La communication par Modbuspermet l échange de données entre tous les équipements connectés sur le bus. Le protocole Modbusest un protocole de dialogue créant une structure hiérarchisée (un maître et plusieurs esclaves). Une liaison multipoints relie entre eux maître et esclaves. Le maître gère seul l ensemble des échanges. Deux types de dialogue sont possibles : le maître échange avec un esclave et attend sa réponse, le maître échange avec l ensemble des esclaves sans attente de réponse (diffusion générale). 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 51 TCP/IP ModBus et le modèle OSI 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 52 26

27 TCP/IP Echange Maître - Esclave Chaque dispositif dispose d une adresse (valeur entre 1 et 247). Les adresses sont indépendantes de la position physique sur le bus. Deux abonnés ne peuvent pas avoir la même adresse Le maître s adresse à un seul esclave à la fois. Après sollicitation du maître, l esclave répond 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 53 TCP/IP Principe des échanges ModBus 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 54 27

28 TCP/IP Couche application L accès aux données peut se faire par bloc L accès aux données peut se faire soit bit à bit soit mot à mot (16bits) 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 55 TCP/IP Echange 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. La détection de fin de message est réalisée sur un silence dont la taille est supérieure à celle de 2 caractères. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 56 28

29 TCP/IP Question du maître vers un esclave Modbus offre 19 fonctions différentes. Elles se caractérisent par un code fonction sur un octet (ici en hexadécimal). Tous les équipements ne supportent pas tous les codes fonction Code 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F 0x10 0x11 0x12 0x13 Nature des fonctions Modbus Lecture de n bits de sortie consécutifs Lecture de n bits d'entrée consécutifs Lecture de n mots de sortie consécutifs Lecture de n mots d'entrée consécutifs Ecriture de 1 bit de sortie Ecriture de 1 mot de sortie Lecture du status d'exception Accès aux compteurs de diagnostic Télécharg t, télédécharg t et modes de marche Demande de CR de fonctionnement Lecture du compteur d'événements Lecture des événements ce connexion Télécharg t, télédécharg t et modes de marche Demande de CR de fonctionnement Ecriture de n bits de sortie Ecriture de n mots de sortie Lecture indentification Télécharg t, télédécharg t et modes de marche Reset de l'esclave après erreur non recouverte 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 57 TCP/IP Réponse de l esclave vers le maître Cas d une réponse correcte Cas d une réponse suite à une erreur Le code fonction est modifié par la mise à 1 de son MSB, Les données contiennent un code d exception permettant de connaître le type d erreur 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 58 29

30 TCP/IP Codage de l information Modede transmission : RTU (information codée sur 1 octet), exemple: valeur 43 dec se code 0x2B ASCII (information codée sur 2 octets au format ASCII) de moins en moins utilisé exemple: valeur 43 dec se code 0x32, 0x42 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 59 TCP/IP Codage de l information Chaque octet composant un message est transmis en mode RTU, avec ou sans parité, comme suit : Le mot de contrôle de la trame est un CRC 16 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 60 30

31 TCP/IP ModeBus Plus Et le modèle OSI Le détenteur du jeton est maître du bus 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 61 TCP/IP Principe du jeton ModBus Plus Cette méthode consiste à faire circuler sur le bus un permis à émettre, ou jeton. Seul la station qui possède le jeton est effectivement autorisée à émettre. Les conflits sont éliminés par rapport au protocole à compétions. Les bus de ce type ont l avantage d être déterministes. Il faut attendre le passage du jeton, même en cas d urgence. Un équipement ou abonné sur bus à jeton est identifié par une adresse unique. L adresse la plus faible commence les échanges. Le bus fonctionne comme un anneau virtuel. Lorsque l adresse la plus élevée a terminée, elle repasse la main au premier. Le jeton est un groupe de bits qui circule en continu sur l anneau d adresses formé par les abonnés. Lorsqu un abonné quitte le bus, une nouvelle séquence de circulation du jeton est définie pour contourner cet abonné inactif, opération qui se fait en général en 100 ms. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 62 31

32 TCP/IP Architecture multi-réseaux ModBus + 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 63 TCP/IP Les différentes technologie de ModBus 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 64 32

33 MODBUS TCP/IP 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 65 BESOINS DE COMMUNICATION 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 66 33

34 TCP/IP ModBus TCP - Modèle client /serveur Le service de message ModBusfournit une communication client / serveur en mode connecté sur un réseau Ethernet TCP/IP. ModBusRequest: message envoyé par le client sur le réseau pour initier la transaction. ModBus Indication : demande reçu par le serveur ModBusResponse: message de réponse envoyé par le serveur ModBus Confirmation : message reçu coté client. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 67 TCP/IP ModBus Application Data Unit Le protocole ModBusdéfinit une simple unité de données de protocole (PDU) indépendamment des couche de communication. L utilisation d un bus ou un réseau introduit quelques champs additionnels pour former l unité de données d application (ADU) Avec ModBus sur TCP/IP, l ADU devient : Les couches réseaux assurent l intégrités des données transmises 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 68 34

35 TCP/IP Description de l entête ModBus TCP/IP L entête est composée de 7 octets Champs Taille Description Client Serveur Transaction IDentifier Protocol IDentifier Length Unit IDentifier 2 octets Identification de la transaction Demande/Réponse Initié par le client Recopierpar le serveur 2 octets 0 = Protocol ModBus Initié par le client Recopierpar le serveur 2 octets Nombre total d octets 1 octet Identification de l esclave distant connecté au bus Initié par le client(demande) Initié par le serveur (réponse) Initié par le client Recopierpar le serveur 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 69 TCP/IP Port ModBus / TCP Toutes l ADU ModBus/TCP sont envoyées sur le port enregistré 502 Les différents champs sont encodés en Big-endian. 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 70 35

36 TCP/IP Exemple Automate Télémécanique 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 71 TCP/IP Exemple Automate Wago 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 72 36

37 TCP/IP Lecture des Entrées de l automate Codes fonctions utilisable sur les entrées (bit ou mot) Code Fonction Description 02 Lecture de N bits 04 Lecture de N mots 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 73 TCP/IP Ecriture/Lecture des sorties de l automate Codes fonctions utilisable sur les sorties (bit ou mot) Code Fonction Description 01 Lecture de N bits 03 Lecture de N mots 05 Ecriture d en bit 06 Ecriture d un mot 15 Ecriture de N bits 16 Ecriture de N mots 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 74 37

38 TCP/IP Exemple Lecture d un registre d entrée Code Fonction 04 (Read input registers) Lecture des registres(16 bits) 0 et 1 : Réponse : Si Erreur: 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 75 TCP/IP Code d exception ModBus 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 76 38

39 TCP/IP Bibliographie Les Automates Programmables Industriels (API) - Technologuepro.com Automate programmable industriel -Wikipedia.org Ethernet Industriel - Profibus Internationnal ModBus officiel 13/03/2013 UE1 - Bus de communication 77 39