Les Réseaux Locaux Industriels

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1 Les réseaux et les modes de transmission Les Réseaux Locaux Industriels (RLI) BTS IRIS Les réseaux et les modes de transmission Les Réseaux Locaux Industriels (RLI) Synthèses Synthèse 1 : Le modèle en couches des RLI Synthèse 2 : La liaison Série Synthèse 3 : Le protocole Modbus Synthèse 4 : Le bus CAN Synthèse 5 : Le bus ASI Synthèse 6 : Ethernet Industriel Modbus sur TCP/IP BTS IRIS

2 S1 - Le modèle en couches des RLI (Réseaux Locaux Industriels) 1. La pyramide du CIM (Computer Integrated Manufacturing) Niveau Temps de réponse Distance maximale Données échangées 3 n s n 10 km fichiers 2 n 100 ms n 1 km messages 1 n 10 ms n 100 m mots 0 n 1ms n 10 m bits 2. Les RLI dans le modèle OSI de l'iso Dans le cas des réseaux locaux industriels (RLI), seulement 3 couches sont spécifiées : couche 1 : couche «Physique», couche 2 : couche «Liaison de données», couche 7 : couche «Application». Les raisons concernant l absence des autres couches sont les suivantes : couche 3 : Aucun besoin de routage dans les réseaux locaux industriels car les stations sont toutes connectées sur le même réseau physique ; couche 4 : les messages sont très courts (contenu dans une seule trame) : pas besoin de segmentation ; couche 5 : les concepts de session ne sont pas supportés sur les RLI ; couche 6 : toutes les applications donnent le même sens à la définition d une information : il n y donc pas besoin de présentation. S1 - Le modèle en couches des RLI page 1/2

3 3. Synthèse modèle OSI pour les RLI BTS IRIS : RLI S1 - Le modèle en couches des RLI page 2/2

4 EIA-232 EIA-485 S2 - La Liaison Série 1. Principe Niveau Bit Temps support physique d'interconnexion SYSTEME A SYSTEME B Les n bits sont transmis au rythme d une horloge dont la valeur de période permet de définir la notion de débit (vitesse de transmission) : nombre de bits transmis par unité de temps. 2. Les modes d'exploita tion 2.1 Simplex L exploitation de la ligne se fait en mode unidirectionnel : SYSTEME A (émetteur) SYSTEME B (récepteur) 2.2 Half Duplex La transmission est possible dans les deux sens mais pas simultanément : SYSTEME A (émetteur) SYSTEME B (récepteur) support physique SYSTEME A (récepteur) OU SYSTEME B (émetteur) support physique S2 - La Liaison Série page 1/5

5 EIA-232 EIA Full Duplex L exploitation de la ligne se fait en mode bidirectionnel simultané sur le même support physique : SYSTEME A SYSTEME B support physique 3. La liaison série point à point RS 232 Norme électrique caractérisant la transmission d un signal sur un seul fil référencé par rapport à la masse. 3.1 Codage de l'information Tension +25 V Niveau Logique 0 +3 V - 3V zone de transition Niveau Logique 1-25 V 3.2 Câblage Le seul câblage normalisé V24 permet de relier un ETTD (Équipement Terminal de Traitement de Données : par exemple un ordinateur) à un ETCD (Équipement de Terminaison de Circuit de Données : par exemple un modem) à l'aide d'un câble droit : ETTD TD RD DTR DSR RTS CTS DCD GND émission réception ETTD prêt ETCD prêt demande émission prêt à émettre détection porteuse masse signal TD RD DTR DSR RTS CTS DCD GND ETCD S2 - La Liaison Série page 2/5

6 EIA-232 EIA-485 Pour relier deux ETTD, on utilise un câble croisé ou null-modem : TD 2 2 TD RD 3 3 RD DTR DTR ETTD DSR RTS DSR RTS ETTD CTS 5 5 CTS DCD 8 8 DCD GND 7 7 GND D autres type de câblage null-modem utilisent les signaux comme CTS / RTS et DTR / DSR pour gérer le flux des informations entre les deux systèmes : 4. La liaison série différentielle RS422 et RS485 Norme électrique caractérisant la transmission d un signal sur un support différentiel. Deux fils correspondant à des niveaux complémentaires sont utilisés pour coder l information. 4.1 Codage de l'information Tension Différentielle +6 V Niveau Logique 0 +0,3 V - 0,3 V Niveau Logique 1 zone de transition - 6 V S2 - La Liaison Série page 3/5

7 EIA-232 EIA Résistance de terminaison optionnelle 4.3 Réseau réalisé avec une paire différentielle RS485 S2 - La Liaison Série page 4/5

8 EIA-232 EIA Comparaison des normes RS232, RS422 et RS485 Spécifications RS 232 RS 422 RS 485 Type de communication Unipolaire Différentiel Différentiel Connexions électriques minimales 3 fils Tx, Rx et masse 5 fils Paire Tx, Paire Rx et masse 3 fils Paire Tx/Rx, et masse Nombre de transmetteurs et récepteurs alloués par la ligne 1 transmetteur 1 récepteur 1 transmetteur 31 récepteurs 32 transmetteurs 32 récepteurs Longueur maximum de câble 16,5 m 1320 m 1320 m Débit maximum 64 Kbits/s 10 Mbits/s 10 Mbits/s 6. Trame asynchrone niveau logique transmission d'un caractère (cas d'une parité paire) "1" "0" bit de start LSB bits de données MSB bit de parité temps remarque : ligne au niveau "1" au repos bit(s) de stop Bit de Start (le front descendant indique au récepteur qu il va devoir se synchroniser) ; Bits de données dont le nombre varie normalement entre 7 et 8, en fonction du codage du caractère (ASCII, ) ; Bit de parité (facultatif) : bit généré lors de l émission et testé lors de la réception pour valider la conformité de la donnée. La parité est paire (even) lorsque le nombre de bits (donnée + parité) est pair. La parité est impaire (odd) lorsque le nombre de bits (donnée + parité) est impair ; Bit(s) de stop pour dissocier la fin d émission du caractère courant du début du caractère suivant (bit de start). 7. Contrôle de flux Protocole matériel RTS/CTS : Les signaux RTS et CTS permettent le contrôle de flux matériel entre deux ETTD. Lorsque le buffer de réception est plein, RTS est désactivé. Il sera réactivé lorsque les données du buffer auront été lues (DTR et DSR peuvent être utilisés selon le même principe). L émetteur doit donc scruter son CTS pour savoir s il peut émettre ou non. Protocole logiciel Xon/Xoff : Ce protocole basé sur le même principe que le précédent si ce n est que Xon et Xoff sont des caractères qui valent respectivement 10 et 13 en hexadécimal. Le récepteur signale que son buffer de réception est plein en envoyant un caractère Xoff à l émetteur. Lorsqu il peut à nouveau accepter des caractères en réception, il envoie Xon. La liaison doit être full duplex pour que ce protocole puisse fonctionner (half duplex pour CTS/RTS). S2 - La Liaison Série page 5/5

9 S3 - Le protocole Modbus 1. Généralités Modbus est un protocole de dialogue (concepteur Modicon) permettant d assurer la communication entre deux (ou plusieurs) stations dans un réseau local industriel de type Maître / Esclaves. maītre numéro esclave esclave réponse de l'esclave concerné L unique maître du réseau est à l initiative de tous les échanges entre esclaves. Le dialogue entre les esclaves est impossible. Deux types de dialogue sont possibles : le maître parle à un esclave et attend sa réponse (unicast mode) ; le maître parle à l'ensemble des esclaves, sans attente de réponse : diffusion générale (broadcast mode). Les échanges sont donc du type half-duplex. 2. Modbus et le modèle OSI S3 - Le protocole Modbus page 1/3

10 3. La couche 2 : Liaison de données 3.1 Méthode d 'accès BTS IRIS : RLI La méthode d'accès est déterministe de type Maitre Esclaves. 3.2 Trame RTU Le maître envoie un message constitué de la façon suivante: adresse fonction Données contrôle 1 octet 1 octet 0 à 252 octets 2 octets adresse de l'esclave concerné, pour établir la liaison avec lui. Numéro compris entre 1 et 247 codé sur 1 octet. Le numéro 0 indique que tous les esclaves sont concernés (diffusion) ; instruction ou fonction à réaliser sur l esclave, codé sur 1 octet (lecture, écriture, ) ; données impliquées dans la fonction à réaliser. Elle peut être composée de plusieurs mots, par exemple, adresse du premier mot (2 octets), puis le nombre de mots (2 octets) ; contrôle, mot de contrôle codé sur 2 octets de type redondance cyclique (CRC16) calculé sur l'ensemble du message et destiné à assurer l'intégrité de l'échange. 3.3 Champ de contrôle L organigramme de calcul du CRC est le suivant : XOR: OU exclusif Dans la trame, le champ de contrôle est constitué du poids faible puis du poids fort du CRC. adresse fonction Données contrôle CRC Low CRC Hi S3 - Le protocole Modbus page 2/3

11 3.4 Les fonctions principales Lecture de N mots de sortie : fonction 0x03 La trame envoyée par le maître est la suivante : N esclave 0x03 Adresse 1 er mot Nombre de mots CRC 1 octet 1 octet 2 octets 2 octets 2 octets La réponse fournie par l esclave est alors : N esclave 0x03 Nombre d octets lus Valeur des mots CRC 1 octet 1 octet 1 octet N * 2 octets 2 octets Écriture de N mots de sortie : fonction 0x10 La trame envoyée par le maître est la suivante : N esclave 0x10 Adresse 1 er mot Nombre de mots Nombre Valeurs CRC d octets des mots 1 octet 1 octet 2 octets 2 octets 1 octet N octets 2 octets La réponse fournie par l esclave est alors : N esclave 0x10 Adresse 1 er mot écrit Nombre de mots écrit CRC 1 octet 1 octet 2 octets 2 octets 2 octets 4. La couche 1 : Physique La jonction utilisée respecte la norme RS 485. Cela permet de réaliser des communications point à point et multipoints sur 2 fils (1 paire) et dans certains cas sur 4 fils (2 paires). Pour une communication point à point, la jonction utilisée peut être la norme RS 232. S3 - Le protocole Modbus page 3/3

12 S4 - Le bus CAN (Control Area Network) 1. Généralités La conception du bus CAN a été motivée par le besoin de transmettre des informations entre les commandes électroniques au sein d un véhicule automobile. L avantage premier de CAN dans l automobile est de réduire le câblage. La maintenance est aussi améliorée (diagnostic et évolutivité facilités). Le bus CAN, fort de son expérience dans le domaine automobile, s installe maintenant dans d autres secteurs industriels (automatismes, informatique médicale, ). Le CAN a été standardisé par l ISO dans les normes ISO pour les applications à hauts débits et ISO pour les applications à bas débits (< 125 kb/s). 2. CAN et le modèle OSI C A N E T L E S C O U C H E S O S I 7 : a p p l i c a t i o n C A L ( C a n A p p l i c a t i o n L a y e r ) - C A N O p e n 6 : p r é s e n t a t i o n 5 : s e s s i o n 4 : t r a n s p o r t 3 : r é s e a u 2 : l i a i s o n 1 : c o u c h e p h y s i q u e - f i l t r a g e d e s t r a m e s e n r é c e p t i o n - g e s t i o n d e s e r r e u r s - d e m a n d e d e t r a n s f e r t d e s d o n n é e s - a r b i t r a g e - e n c a p s u la t i o n, d é s e n c a p s u l a t i o n e t c o d a g e d e s t r a m e s - d é t e c t i o n / s i g n a l e m e n t d e s e r r e u r s - a c q u i t t e m e n t s - s y n c h r o n i s a t i o n - n o r m a l i s a t i o n d e s c o n n e c t e u r s / s u p p o r t p h y s i q u e - c o d a g e d u b i t s u r l e s u p p o r t ( é t a t s r é c e s s i f e t d o m i n a n t ) - n o r m a l i s a t i o n d e s v i t e s s e s / l o n g u e u r s s o u s c o u h e L L C s o u s c o u h e M A C c o u c h e p h y s i q u e 3. La couche 2 : Liaison de données 3.1 Méthode d'accès De type multimaître, le protocole CAN est basé sur le principe de la diffusion générale : lors de transmission, aucune station n'est adressée en particulier, mais le contenu de chaque message est explicité par une identification reçu de façon univoque par tous les abonnés. Sur un réseau CAN la méthode d accès au support est dite aléatoire et s appelle CSMA /CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoid) ou CSMA / CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect + Arbitration on Message Priority). S4 - Le bus CAN page 1/5

13 Ces deux méthodes (qui n en font qu une) se basent sur un système de priorité permettant de transmettre, sans altération, une information de plus haute priorité si deux stations émettent en même temps. Sur le réseau CAN, l'identificateur de chaque message, qui est un mot de 11 bits (format standard) ou 29 bits (format étendu), détermine sa priorité (Identificateur faible = priorité forte). Le procédé d'attribution du bus est basé sur le principe de l'arbitrage bit à bit, selon lequel les noeuds en compétition, émettant simultanément sur le bus, comparent bit à bit l'identificateur de leur message avec celui des messages concurrents. Les stations de priorité moins élevées perdrons la compétition face à celle qui a la priorité la plus élevée. 3.2 Trame de données «Data Frame» au format standard 2.0 Arbitrage Contrôle Données CRC ACK S O F identificateur 11 bits R T R I D E r 0 DLC 0 8 octets CRC Fin de trame - SOF (Start Of Frame) : bit de synchronisation matérielle pour les différentes stations. La synchronisation se fait par un passage de l état récessif à dominant (front) ; - Champ d arbitrage composé : - de l identificateur codé sur 11 bits (poids fort en tête) ; - d un bit appelé RTR (Remote Transmission Request) qui permet de signifier une requête en provenance d une station «consommatrice». Dans ce dernier cas, RTR doit être à l état récessif. Il sera dominant pour une trame de données émise par une station «productrice». - Champ de contrôle composé : - d un bit IDE (IDentifier Extension) : bit permettant de connaître le format (standard : dominant - étendu : récessif) de la trame ; - d un bit r0 réservé pour une utilisation future ; S4 - Le bus CAN page 2/5

14 - de 4 bits DLC (Data Length Code) (DLC3 : MSB et DLC0 : LSB) permettant de coder les 9 longueurs possibles pour la donnée : - longueur de donnée de 0 octets : les 4 bits sont à 0 (dominant) - longueur de donnée de 8 octets : seul le bit DLC3 est à 1 (récessif). - Champ de données : Le champ de données comporte jusqu à 8 octets (dépendant des 4 bits DLC) et permet de stocker la donnée utile échangée. - Champ CRC : (15 bits utilisé + 1 bit récessif) : Code à redondance cyclique (Cyclic Redondancy Code) permettant de vérifier l intégrité de la trame (Calcul polynomial avec X 15 +X 14 +X 10 +X 8 +X 7 +X 4 +X 3 1 comme polynôme générateur). - Champ ACK : Le champ ACK (ACKnowledge) comporte 2 bits. La station «productrice» positionne les deux bits au niveau récessif. Si une station «consommatrice» prend en compte la trame, elle positionne le ACK Slot au niveau dominant dans une trame de confirmation : la détection d un changement (front) entre les deux bits ACK signifie à la station «productrice» que la trame a été prise en compte. - EOF (Etart Of Frame) : 7 bits au niveau récessif permettant de délimiter la fin de trame (End Of Frame). 4. La couche 1 : Physique 4.1 Topologie La topologie du réseau est de type bus : Le support de transmission le plus répandu est la paire torsadée blindée ou non. La fibre optique et la transmission hertzienne sont aussi normalisées. S4 - Le bus CAN page 3/5

15 4.2 Codage de l'information Les états logiques 1 et 0 sont respectivement appelés récessif et dominant. Les états logiques sont codés sur le support physique comme suit : Lorsqu un grand nombre de bits de même valeurs se succèdent, le niveau logique étant toujours conservé, la synchronisation sur changement de niveau est impossible. C est pour cela que la technique du bit stuffing a été mise en place : lorsqu une série de 5 bits de même niveau est envoyée sur le support, un 6ème bit de niveau différent est transmis. 4.3 La connectique La prise normalisée la plus utilisée est la DB9 : S4 - Le bus CAN page 4/5

16 5. La couche 7 : Application BTS IRIS : RLI Le rôle de CAL (CAN Application Layer) est de fournir des objets de communication utilisables par l utilisateur. La famille de protocoles applicatifs pour CAN la plus utilisée est CAN Open. Le COB (Communication Object) spécifie le service demandé à un module CAN au niveau de la couche applicative (comparable à une requête client/serveur). Le COB-ID (Communication OBject Identifier) permet d identifier le module qui propose le service. Ces deux informations sont transmises par la couche 7 à la couche 2 de CAN et sont stockées dans l identificateur de la trame. Le champ d arbitrage sur 11 bits devient : Identificateur sur 11 bits 4 bits 7 bits COB COB-ID (numéro module / ID module) S4 - Le bus CAN page 5/5

17 1. Généralités S5 - Le bus AS-i (Actuator Sensor Interface) 2. La couche 2 : Liaison de données 2.1 Méthode d'accès AS-i est exclusivement un bus de terrain de type maître/esclave. Le maître interroge les abonnés esclaves par scrutation cyclique (polling). La durée de scrutation est quasiment proportionnelle au nombre d esclaves interrogés. M a î t r e R e q u ê t e m a î t r e E s c l a v e 1 R é p o n s e e s c l a v e 1 R e q u ê t e m a î t r e R é p o n s e e s c l a v e n E s c l a v e n 3 1 e s c l a v e s m a x i m u m T e m p s d e c y c l e c a r a c t é r i s t i q u e : 5 m s p o u r 3 1 e s c l a v e s R e q u ê t e m a î t r e R é p o n s e e s c l a v e 3 1 E s c l a v e 3 1 Initialement tous les esclaves ont l adresse 0. Lors de leur connexion successive, une adresse doit leur être affectée. S5 - Le bus AS-i page 1/4

18 2.2 Détail des trames de dialogue Détail du dialogue entre le maître et un esclave : Différents types de trames générées par le maître : S5 - Le bus AS-i page 2/4

19 2.3 Profils Afin de connaître la nature des informations traitées par un équipement AS-i (entrée et / ou sortie), chaque équipement AS-i est défini par un profil noté X.Y : X représente l I/O code ou code de définition des E/S ; Y représente l ID Code ou code d identification des familles d'équipements esclaves. 3. La couche 1 : Physique 3.1 Support de transmission câble plat à détrompage mécanique prises vampires boîtier de l esclave Raccord en Té pour prise de type M12 S5 - Le bus AS-i page 3/4

20 3.2 Topologie 3.2 Codage de l'information La transmission de l information se fait par courant porteur. La transmission de l information est assurée par le maître qui superpose au signal d'alimentation une tension alternative de 2 v crête (modulation) : S5 - Le bus AS-i page 4/4

21 S6 - Ethernet Industriel Modbus / TCP 1. Généralités Modbus/TCP est la variante «encapsulée» dans TCP/IP du protocole Modbus. Modbus/TCP est une spécification ouverte au public basée sur un mode de communication Client-Serveur. Les temps de réponse varient de 0.2 s à 1 s. Il ne sera donc pas employé pour des applications nécessitant de faibles temps de réponse mais permet de couvrir une majeure partie des besoins de communication industrielle. Le modèle Client-Serveur est basé sur 4 types de messages : - Request : Message envoyé par le client pour initier une transaction ; - Indication : Message de requête reçu par le serveur ; -Response : Message de réponse envoyé par le serveur ; -Confirmation : Message de réponse reçu par le client. Remarque : Le port TCP d écoute réservé au dialogue Modbus/TCP est le port Modbus/TCP et le modèle OSI S6 - Modbus / TCP page 1/3

22 3. Structure du message 3.1 Application Data Unit (ADU) 3.2 ModBus Application Protocol (MBAP) 3.3 Protocol Data Unit (PDU) La partie PDU correspond à la trame MODBUS sur liaison série sans le champ adresse et sans le champ de contrôle (CRC). fonction Données 1 octet 0 à 252 octets Exemple de PDU : Lecture de N mots de sortie - fonction 0x03 La requête est la suivante : La réponse est alors : 0x03 Adresse 1 er mot Nombre de mots 1 octet 2 octets 2 octets 0x03 Nombre d octets lus Valeur des mots 1 octet 1 octet N * 2 octets S6 - Modbus / TCP page 2/3

23 Exemple de PDU : Écriture d'un mot de sortie - fonction 0x06 La requête est la suivante : 0x06 Adresse du mot Valeur du mot 1 octet 2 octets 2 octets La réponse est identique (écho) : 3.4 Les types de réponse 0x06 Adresse du mot Valeur du mot 1 octet 2 octets 2 octets Le serveur peut retourner 2 types de réponse : Réponse positive : Dans ce cas, le code fonction de la réponse est identique au code fonction de la question. Réponse d'anomalie : Le serveur retourne une réponse d'anomalie quand il est incapable d'effectuer la demande qui lui est adressée. Le format d'une réponse d'anomalie (PDU) est le suivant : Code réponse Code d erreur (Exception Code) Code Fonction + 0x80 cf. tableau ci-dessous 1 octet 1 octet S6 - Modbus / TCP page 3/3

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