Automatismes Industriels et Réseaux ARS3 Ce qu'il faut retenir sur : Généralités sur les réseaux

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1 Automatismes Industriels et Réseaux ARS3 Ce qu'il faut retenir sur : Généralités sur les réseaux 1 Qu'est ce qu'un réseau? Définition Topologie Réseaux et automatismes industriels Rappel Objectifs Les contraintes Place des réseaux dans l'entreprise Communication sur les réseaux Support de transmission Les conducteurs électriques: La paires torsadées Le câble coaxial La fibre optique Les ondes électromagnétiques Complément sur les conducteurs électriques Les signaux Adaptation au support de transmission Mot binaire => signal électrique Transmission en bande de base codage Synchronisation des données Mode d'accès à la voie Le modèle OSI...9 Fabrice Wateau IUT GEII 4 avenue de Varsovie Angoulême Cedex

2 ARS3 1 Qu'est ce qu'un réseau? 1.1 Définition Un réseau est un ensemble de moyens qui permettent la communication entre des processus (ou taches) répartis sur des matériels informatiques de tout type. Cet ensemble est constitué d au moins un support de transmission pour l acheminement des signaux et de protocoles de communication pour assurer la cohérence des échanges. Un réseau industriel, ou réseau de terrain ou bus de terrain, est un réseau localisé dans un atelier de production et qui par conséquent doit supporter les contraintes environnementales de l industrie (poussière, vibration, température, rayonnement électromagnétique, ). 1.2 Topologie On entend par topologie la façon dont sont reliées les différentes entités d'un réseau sur le média de transmission. BUS Fig 1: topologie en bus Anneau Fig 2: topologie en anneau Fig 3: topologie maillée Page 2 sur 10

3 Généralités sur les réseaux 2 Réseaux et automatismes industriels 2.1 Rappel Un automatisme industriel est l association d une partie commande (automate+module E/S) et d une partie opérative (actionneur, moteur, capteur, etc.) dans le but d apporter une valeur ajoutée à un produit. 2.2 Objectifs Les apports des réseaux dans les automatismes industriels sont: la réduction des coûts, notamment sur le câblage, l'étude et la mise en uvre d'un automatisme, l'amélioration de la maintenance qui réduit les temps d'arrêt, la rentabilité. 2.3 Les contraintes L'utilisation d'un réseau, donc d'un média de transmission unique, dans les automatismes impose une complexité des capteurs (télé alimentation et module de communication) qui se traduit par un surcoût. De plus, les capteurs doivent être adaptés à un environnement dur (CEM et connectique). Les entreprises cherchent également des réseaux non propriétaires qui ne les «emprisonnent» pas à un seul fournisseur. 2.4 Place des réseaux dans l'entreprise Fig 4: automatisme industriel La pyramide CIM (Computer Integrated Manufacturing) décrit en plusieurs niveaux de compétences l'organisation d'une entreprise de production. Suivant le niveau où l'on se trouve, les besoins (tailles des données échangées et délais de traitement) ne sont pas les mêmes. Par exemple, au niveau 0, la taille de l'information est le bit ou l'octet et le temps de traitement doit s'approcher du temps réel. C'est le lieu des réseaux de terrain tel que CAN et MODBUS. Alors qu'aux niveaux supérieurs (3 et 4) les données échangées sont plus volumineuses (fichiers texte de plusieurs koctet à quelques Moctets, messagerie électronique, etc.) et la durée de traitement n'est pas critique (heure, voir journée). C'est le lieu des réseaux LAN (local Area Network) type Intranet localisés à un bâtiment, voir WAN (Wide Area Network), réseaux longue distances nationaux et internationaux type internet, pour le plus haut niveau. Page 3 sur 10

4 ARS3 3 Communication sur les réseaux 3.1 Support de transmission On parle aussi de média ou médium Les conducteurs électriques: La paires torsadées C'est le support de transmission le plus utilisé car son coût est relativement faible. Elle existe sous forme blindée et non Fig 6: paire torsadée blindée et permet des débits allant jusqu'à 100 Mbit/s sur 1km Le câble coaxial Il offre de meilleurs performances mais sa rigidité rend la mise en uvre difficile La fibre optique Page 4 sur 10 Fig 5: pyramide CIM Elle offre de très bonnes performances en terme de débit et de sécurité des échanges étant donné qu'elle n'émet aucun rayonnement électromagnétique. Elle reste coûteuse et de mise en uvre difficile. Fig 7: câble coaxial Fig 8: fibre optique

5 3.1.3 Les ondes électromagnétiques Difficilement utilisables dans les milieux perturbés tels que les ateliers de production Complément sur les conducteurs électriques Généralités sur les réseaux Du fait de ses caractéristiques linéiques ( résistances et capacités), la ligne de transmission introduit 2 types de défauts: Atténuation [en db/m] : le signal subit une décroissance exponentielle le long de son trajet Dispersion :un signal carré arrive déformé au bout de la ligne, sous l effet du déphasage. Les différents harmoniques constituant le signal ne subissent pas le même retard et par conséquent la superposition en bout de ligne aboutit à un signal déformé. Fig 9: dispersion sur la ligne En plus, si une ligne n est pas fermée par son impédance caractéristique Zc, il se produit un phénomène de réflexion qui peut perturber la communication. La longueur de câble dépend du débit selon la courbe ci-dessous: Fig 10: relation débit - longueur Page 5 sur 10

6 ARS3 3.2 Les signaux Adaptation au support de transmission Mot binaire => signal électrique Les informations à transmettre sur le réseau sont des informations numériques (successions de bits) transmises sous forme série. Pour transmettre ces informations sur le réseau il faut donc les adapter au support de transmission. La première étape est alors de faire correspondre un signal électrique à un niveau logique. C'est le cas de la liaison RS232 qui définit: une tension comprise entre -3 et -25 V => niveau logique «1» une tension comprise entre 3 et 25 V => niveau logique «0» On parle de logique négative car le niveau de tension haut correspond au niveau logique bas Transmission en bande de base codage La technique de la transmission en bande de base consiste en un codage d'une suite de bits en un symbole (le plus souvent un niveau de tension). EMETTEUR RECEPTEUR Fig 11: transmission en bande de base Les objectifs de ce codage sont: transmettre un signal sans composante continue, enrichir le signal en impulsion pour faciliter la récupération de l'horloge de synchronisation, concentrer ou déplacer le spectre de puissance. Page 6 sur 10

7 Un des codages les plus utilisé est le code «Manchester» ou «biphasé»: Généralités sur les réseaux '0' '1' Fig 12: code Manchester ou biphasé On peut remarquer : une composante continue nulle, une bande passante de 2/Tm la présence de l'horloge (1/Tm) dans le spectre. La récupération de l'horloge est assez facile, car il y a toujours des transitions dans le signal Synchronisation des données L'information qui transite sur le média d'un réseau est une suite de «1» et de «0». Mais comment savoir où est le début de la données et la fin? Pour cela, il faut ajouter au signal une donnée de synchronisation (1 bit dans le cas de la liaison série, 1 ou 2 octet dans d'autre cas). Il faut également que l'émetteur et le récepteur utilisent les mêmes règles de transmission (rythme de transmission, codage, etc.) pour ce comprendre. On parle de protocole. H emit ligne repos START D0 D7 STOP H recept synchro 1 bit de START, toujours à 0 pour la synchronisation 7 ou 8 bits de données 1 bit de parité (éventuel) pour la détection d'erreur(s) 1 (ou 2) bits de STOP, toujours à 1 Au repos, la ligne reste à 1 Fig 13: synchronisation sur liaison série RS232 Page 7 sur 10

8 ARS3 3.3 Mode d'accès à la voie Le mode d'accès à la voie est la méthode utilisée pour prendre la parole sur le réseau. En effet, la communication sur un réseau est le plus souvent de la forme «half duplex». Simplex : toujours dans le même sens duplex : bidirectionnel, 2 canaux Half-duplex : bidirectionnel, 1 canal Fig 14: dialogue sur un réseau Dans ce cas, pour éviter les collisions (plusieurs messages présents en même temps sur le réseau) il faut mettre en place des règles de partage de la parole, c'est ce quel 'on appelle le «mode d'accès à la voie». BUS série Fig 15: collisions Il existe plusieurs plusieurs procédés: La communication maitre une entité du réseau est désigné comme «maitre» (Master), les autres sont les «esclaves» (Slave). Un esclave n'a le droit de parler que quand le maitre l'interroge. La méthode du jeton (surtout dans la topologie en Le jeton est un message particulier que doit avoir reçu une station pour prendre la parole. Quand celle-ci a fini d émettre, elle refait circuler le jeton sur la boucle. Page 8 sur 10

9 Généralités sur les réseaux Station qui possède le jeton Anneau Fig 16: technique du jeton Le CSMA/CD: détection de porteuse et détection de collision. C est une méthode d accès aléatoire. J essaie de parler et si le support n est pas libre alors je réessaie un temps aléatoire plus tard. (CSMA: Carrierr Sense Medium Access) 3.4 Le modèle OSI L'ISO (International Organisation for Standardisation) propose un modèle à 7 couches qui décrit les concepts utilisés et la démarche suivie pour normaliser l'interconnexion de systèmes ouverts. 7-Application 6-Présentation 5-Session 4-Transport 3-Réseau 2-Liaison Point de contact entre l'utilisateur et le réseau. Apporter à l'utilisateur les services de base offerts par le réseau, comme par exemple le transfert de fichier, la messagerie... Traduit les données pour que les 2 systèmes puissent communiquer entre eux et se comprendre. Assure la continuité de la connexion Cette couche est responsable du bon acheminement des messages complets au destinataire. Assure l acheminement de l information à travers le réseau (routage) Assure la synchronisation et le contrôle des données (crc, ack,etc.) 1-Physique Présentation physique des données sur le média (bit => tension) Fig 17: modèle OSI Les couches basses (1, 2, 3 et 4) sont nécessaires à l'acheminement des informations entre les extrémités concernées et dépendent du support physique. Les couches hautes (5, 6 et 7) sont responsables du traitement de l'information relative à la gestion des échanges entre systèmes informatiques. Chaque couche rajoute un ou plusieurs octets au message qui prend alors le nom de trame. C'est ce qu'on appelle l'encapsulation. Page 9 sur 10

10 ARS3 Application Application HA HA Présentation Présentation HP HA HP HA Session Session Transport Transport Réseau Réseau HR HR Liaison Liaison HL HR HL HL HR HL Physique Physique Fig 18: principe d'encapsulation Page 10 sur 10