Réseau en automatisme industriel

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1 Réseau en automatisme industriel IUT-1 département GEii /11/2008 1

2 Architecture matérielle d un API Un automate programmable industriel se compose: D une unité de traitement (CPU + Mémoire) De modules d entrées et de sorties De modules de communication. D un module d alimentation 07/11/2008 2

3 Cartes de communication Les automates possèdes de plus en plus de ports de communications. Pour la programmation, le réglage ou la maintenance (PC, console ) Pour la supervision, le dialogue inter-automates (Ethernet TCP/IP) Pour la communication avec des capteurs et les actionneurs (paires différentielles ASI) Opto-electronics Printer Programming device, PC, computers SIMATIC S5 and also PLCs from other manufacturers Robot controls Scanner, barcode reader, identification systems Weighing systems, controllers 07/11/2008 3

4 Fonctionnement des automates Un automate exécute son programme de manière cyclique. Lecture des entrées Traitement du programme Écriture des sorties Le temps d exécution d un cycle est contrôlé par une temporisation appelée chien de garde 07/11/2008 4

5 Instant d exécution Les programmes sont caractérisés par le moment (la section) où ils sont exécutés dans le cycle automate. Celui ci comprend trois sections: REPETER - (Acquisition des entrées) - Exécution des programmes de la section DEBUT - Exécution des programmes de la section SEQUENTIEL - Exécution des programmes de la section FIN - (Mise à jour des sorties) JUQU A ARRÊT DE L AUTOMATE. Les programmes de la section séquentiel sont écrit en langage SFC (grafcet). Les programmes des sections début ou fin peuvent être écrit dans les quatre autres langages.

6 Les Architectures d automatismes industriel Historique La pyramide CIM Evolution 07/11/2008 6

7 Architecture Centralisé Aucune autonomie des différents sous-ensembles (synchro par E/S), Mise en service et maintenance lourdes et difficiles à effectuer Arrêt de l ensemble des fonctions gérées par l API en cas de défaut système de cet API ou d arrêt pour la maintenance du moindre élément de l outil de production. Distance de câblage des E/S Quelques kilomètres Dans les années 80 07/11/2008 7

8 Architecture décentralisée Découpage de l automatisme en entités fonctionnelles. Simplification de l automatisme en réduisant le nombre d E/S. Mise en service et maintenance plus aisé Distance de câblage des E/S Quelques dizaines de mètres Avènement des réseaux locaux industriels 07/11/2008 8

9 Décentralisation des E/S et périphériques Diminution des coûts de câblage Flexibilité Prise en compte des fonctions métier (variation de vitesse, dialogue homme/machine, pesage...). Diagnostic et maintenance facilitée. Câblage E/S Quelques mètres Avènement des Bus de Terrain et des bus Capteurs/actionneurs 07/11/2008 9

10 Avantages REDUCTION DES COUTS : Réduction massive du câblage Possibilités de réutiliser le câblage existant Réduction du matériel nécessaire à l installation REDUCTION DES COUTS DE MAINTENANCE Complexité moindre => Fiabilité accrue Maintenance plus aisée : Dépannage «On Line» Outils dédiés Flexibilité pour l extension du bus 07/11/

11 Comparatif câblage classique/réseau La solution réseau de terrain fait clairement apparaître des économies dans tous les postes, pour une économie globale de près de 25 % du coût de l'automatisation 07/11/

12 Avantage: le coût 07/11/

13 La pyramide CIM CIM signifie Computer Integrated Manufacturing. Assurer une communication entre les mondes de l informatique et de l'automatisme Augmenter la productivité (fiabilité, pérennité...) des usines de fabrication 07/11/

14 L intégration Classification FONCTIONS SYSTEMES INFORMATIONS USINE GESTION ENTREPRISE CALCULATEURS FICHIERS ATELIER CONTRÔLE PRODUCTION MICRO- ORDINATEUR TABLEAUX CELLULE COMMANDE CENTRALISEE SUPERVISION MESSAGES MACHINE AUTOMATISATION API CONTROLEURS REGULATEURS MOTS TERRAIN DONNEES CAPTEURS ACTIONNEURS BITS 07/11/

15 CIM Classification VOLUME DE DONNEES USINE ATELIER TEMPS NON CRITIQUE TEMPS > 10 s TRAITEMENT DE DONNEES CELLULE MACHINE TEMPS < 1 s TEMPS < 0,1 s TRAITEMENT DE DONNEES EN TEMPS REEL TERRAIN T < 0.01 s Temps de réponse 07/11/

16 CIM INTERNET USINE RESEAUX INFORMATIQUES ATELIER BUS D USINE CELLULE MACHINE BUS DE TERRAIN TERRAIN BUS SENSEUR/ACTEUR 07/11/

17 CIM (Bus d usine:) Réseau Local Industriel basé sur ETHERNET Un PC Industriel sert de passerelle entre le réseau informatique et le bus de terrain BUS DE TERRAIN Relie des unités intelligentes qui coopèrent Temps de réaction de quelques millisecondes Communication de type Maître/Esclaves ou MultiMaîtres Possibilités d accès au niveau inférieur BUS SENSEUR/ACTEUR ( ou Capteur/Actionneur) Relie entre eux des nœuds à intelligence limitée ou nulle( E/S déportées) Temps de réaction très rapide Communication Maître/Esclaves 07/11/

18 CIM Segmentation des réseaux. Beaucoup de réseaux propriétaire adapté à un niveau du CIM. Communication verticale Ne tiennent pas forcément compte de la problématique de l utilisateur Profibus FMS Profibus DP Profibus PA 07/11/

19 Evolution L intelligence migre vers les composants Les variateurs intègrent des fonctions de traitement Les E/S déportées intègrent leur diagnostic Augmentation des flux échangés Développer la communication horizontal 07/11/

20 Evolution Ethernet TCP/IP fédérateur à partir du niveau 2 du CIM. Utilisation des technologies du monde informatique (JAVA,HTML,XML ) et des télécommunications (WAP, Bluetooth, WML ). Accès au données de l automatisme en temps réel, en tout lieu, à toute personne autorisé Aplanir la pyramide du CIM pour privilégier une approche fonctionnelle. 07/11/

21 Evolution 07/11/

22 Les réseaux Bus de terrain LAN BUS de terrain LAN MAN WAN VAN 10m 1km 100km WAN 07/11/

23 Les réseaux BUS de terrain LAN MAN WAN Quelques définitions 10m 1km 100km Bus de terrain: Aussi appelé bus de capteurs et d actionneurs LAN : (Local Area Network : réseau local). Domaine privé. Dans le cas d automates ou d ordinateurs «industriels», on parle de réseau local industriel (RLI) 07/11/

24 Les réseaux BUS de terrain LAN MAN WAN Quelques définitions (suite) MAN : (Metropolitan Area Network réseau métropolitain) Rapides 1 à 100km 10m 1km 100km WAN : (Wide Area Network Réseaux étendus Réseaux nationaux ou internationaux RTC, Internet Terrestre ou satellite 07/11/

25 La Topologie. Topologie point à point Le full duplex (le plus courant) Le half duplex (le moins cher) Avantages Pas de conflit d accès Simultanéité des dialogues (rapidité) Inconvénients: longueur des câbles Station centrale très sollicitée Exemples: RS 232 USB Ethernet (dans certains cas) 07/11/

26 Topologie en bus Toutes les stations sont reliées entre elles par une seule ligne de transmission Sens de propagation des donnée: le half duplex 07/11/

27 Topologie en bus Avantages: Longueur minimale de câble. Simplicité d adjonction de station Sécurité en cas de panne d une station Transmission en diffusion (broadcasting multicasting) Inconvénients Seule une station peut émettre à la fois coût des T Résistance de terminaison qui font partie du câblage. Si chaîne, échange d appareil impossible en fonctionnement Exemple RS 485 Modbus, Profibus Ethernet câble coaxial 07/11/

28 Topologie en anneau Toutes les stations sont reliées en série les unes aux autres pour former une boucle fermée. L information reçue par chaque station est intégralement retransmise après régénération vers la suivante, pour finalement revenir a la station initiale Registre a décalage tournant rafraîchit cycliquement Sens de transmission des données 07/11/

29 Topologie en anneau 07/11/

30 Topologie L étoile Nœud central Possibilité de rajouter un nœud en fonctionnement Davantage de câble L arbre Variante de l étoile ou on «cascade» les concentrateurs Maille Forme classique d organisation des WAN (toile (Web) d araignée) 07/11/

31 Topologie sur ASI Topologie libre du réseau étoile ligne branchements arborescence contrôleur contrôleur contrôleur contrôleur Maître Maître Maître Maître esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave esclave 07/11/

32 Attention:Topologie physique et logique Il est possible de réaliser un anneau logique sur une topologie physique en bus ou en étoile: Par multiplexage temporel: Chaque station dispose, à tour de rôle, d un temps de parole. Par «polling»: Un maître consulte périodiquement chacun de ses esclaves. 07/11/

33 Support de transmission Il existe les supports suivant: Paire torsadée (blindée ou non) Câble coaxial La fibre optique Les transmissions radio 07/11/

34 La paire torsadée C est le support le plus souvent utilisé. coût relativement faible Non blindé qq. 10 Mbits/s sur qq. 100m Blindé env. 100 Mbit/s sur env. 1Km Atténuation proportionnelle à la longueur et au carré de la fréquence.une ligne introduit deux types de défaut: Atténuation (en db/m). Le signal subit une décroissance exponentiel le long de son trajet. Dispersion. Un signal carré arrive déformé au bout de la ligne, sous l effet du déphasage Compromis distance débit 07/11/

35 La paire torsadée Adaptation de fin de ligne: Si la ligne n est pas fermée par une impédance égale à son impédance caractéristique (Zc), il se produit un phénomène de réflexion et d onde stationnaires qui peuvent complètement perturber la communication 07/11/

36 Effet des perturbations électromagnétiques. Sensibilité aux champs magnétiques Les câbles torsadés sont moins sensibles aux champs magnétiques perturbateurs. Sensibilité aux champs électriques. Les câbles blindés sont moins sensibles, à condition qu ils soient mis a la masse aux deux bouts. Sensibilité aux défauts de masse. Possibilité d isoler les coupleurs par transformateurs. 07/11/

37 Conducteurs électriques 07/11/

38 Mode de transmission Mode Commun Sensible aux perturbation par impédance commune Mode différentiel 07/11/

39 Exemple Norme V28 -RS 232 Pour chaque signal, le support est un fil référencé par rapport à la masse. La norme permet d'adapter les signaux logiques (TTL ou CMOS). 1 logique = 5V devient une tension comprise entre -3V et -25V. 0 logique = 0V devient une tension comprise entre +3V et +25V Vitesse 20 kbits/s Longueur 50m 07/11/

40 Norme V11 (RS 485) Le support de transmission est ici différentielle. Deux fils correspondant à des niveaux complémentaires sont donc utiles pour chaque signal ce qui limite l'influence des bruits extérieurs et des masses. Pour la RS485, des circuits trois états permettent des liaisons multipoints. Vitesse 10 Mbits/s Longueur 10m - 1Km 07/11/

41 Exemple: la liaison RS /11/

42 Exemple: la liaison RS /11/

43 Bus alimenté Certains Bus transportent sur les mêmes conducteurs les signaux et l alimentation. Utilisé pour les réseaux de capteurs et d actionneurs (détecteur de proximité, distributeur..) Gain de câblage important Exemple Bus H1 ASI Exemple le Bus H1 07/11/

44 Ambiance explosive - sécurité intrinsèque 07/11/

45 Fibre optique Fibre optique Principe: Les rayons lumineux sont réfléchis sur les parois: Avantages Insensible aux perturbations électromagnétiques Débit très élevé 400 Mbit/s. Km Isolation électrique Inconvénients Ne permet que des liaisons point a point.la topologie peut être du type segment, en étoile ou en anneau. Montage des connecteurs délicat. Attention lors de la pose. 07/11/

46 Fibre optique 3 types de fibre Fibre multimode a saut d indice Les rayons effectuent beaucoup de réflexions. Ils arrivent plus tard que ceux qui se propagent dans l axe. Utilisation: bus de terrain Portée 0,5 20 MHz. Km Fibre multimode à gradient d indice L indice de réfraction décroit a proximité de la gaine, ce qui focalise les rayons vers l axe de la fibre. Utilisation: réseaux d entreprise Portée 20 Ghz.km Cout: connecteurs plus délicats 07/11/

47 Fibre optique 3 types de fibre (suite) Fibre monomode Diamètre du cœur de l ordre de la longueur d onde. Se comporte comme un guide d onde Utilisation: Télécommunication Portée: 100 GHz. Km coût: Elevé. Mise en œuvre délicate à cause du petit diamètre 07/11/

48 Transmission radio Avantages Mobilité Plus de câblage (attention piles..) Installation facile Inconvénients Distances limités Faible bande passante Conflits entre réseaux différents 07/11/

49 Support physique 07/11/

50 Définitions: WAP WAP sont les initiales de 'Wireless Application Protocol' (Protocole d'application Mobile). Au départ ce protocole a été créé à l'initiative d'entreprises comme Nokia ou Ericsson. Il est basé sur des technologies internet existantes comme le XML et IP. Le but de ce standard est de fournir un accès internet pour des clients mobiles, des clients WAP, comme des téléphones portables 07/11/

51 Définition WML WML sont les initiales de Wireless Markup Language, ce qui est en fait l'équivalent de l'html pour les navigateurs. Le WML est lu et interprété par un navigateur intégré au terminal WAP. Pour de tels terminaux, ce navigateur est communément appelé un micro-navigateur. Les capacités d'un micro-navigateur sont, bien sur, limitées aux capacités du terminal WAP. 07/11/

52 Caractéristiques des signaux et des médias. Tout signal périodique peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux Définitions: La largeur de bande caractérise les fréquences utilisées par un signal. La bande passante d un support de transmission est la bande de fréquences dans laquelle les signaux transportés sont reçus avec une amplitude suffisante 07/11/

53 Le codage Bande de base. Le plus utilisé des transmissions par conducteur électrique. Chaque station doit respecté: La fréquence (durée d un bit) et le même mode de codage Le niveau de signal correspondant a un 1 ou un 0. Fréquence porteuse Large bande 07/11/

54 Les modes de codage Le NRZ (Non retour a zero) Le 1 logique est signalé par un niveau du signal, Le 0 logique par un autre niveau Exemples +5V.. 0V +12V.. -12V Avantages: la simplicité Inconvénients Grande bande de fréquence Difficile d assurer la synchronisation lors d une suite de 0 ou de 1 (plus de commutation) Valeur moyenne sur le signal 07/11/

55 Les modes de codage 07/11/

56 Les modes de codage 07/11/

57 Les modes de codage 07/11/