Réseaux en automatisme industriel

Réseaux en automatisme industriel IUT-1 département GEii - 1 28/11/2008 1

Les Architectures d automatismes industriel Modèle multicouche Couche liaison Couche application 28/11/2008 2

Approche multicouche Un réseau de communication est basé sur une structure en couche: Chaque couche utilise les services de la couche immédiatement inférieure pour rendre à son tour un service à la couche immédiatement supérieure Une entité est l élément actif d une couche (matériel, logiciel) Les entités d une même couche sur 2 noeuds différents sont des entités paires ou homologues 28/11/2008 3

Protocole Un protocole est le langage commun que doivent connaître et utiliser 2 entités homologues Définir un protocole de liaison de données consiste donc à préciser : Le format des trames Le critère de début et de fin de trame, La place et la signification des champs dans une trame. La technique de détection d erreur utilisée Les règles de dialogue les procédures après détection d erreur 28/11/2008 4

Encapsulation des données Encapsulation: Chaque couche ajoute une entête (voir une remorque) aux données transmises par la couche supérieure. Désencapsulation: A la réception, la couche homologue retirera cet entête pour ne transmettre que les données. Entête de l'application Données Données Utilisateur Entête de liaison Données Controle liaison Données Application Données Données Liaison de données Physique Encapsulation à la source Désencapsulation chez le destinataire 28/11/2008 5

Le modèle OSI Un bus de terrain est un système de communication : L organisation Internationale de Normalisation (ISO) à définit un système en sept couche qui sert de référence a tous les systèmes de communication. Il est appelé modèle OSI (Open System Interconnection). 7 APPLICATION Interface avec l application 6 5 4 3 2 1 PRESENTATION SESSION TRANSPORT RESEAU LIAISON PHYSIQUE Représentation des données Synchronisation du dialogue Connexion entre les 2 hôtes distants Routage=Acheminement des paquets Construction des trames + Détection des erreurs Codage des bits + Caractéristiques électriques 28/11/2008 6

Le modèle OSI Sept couches Couches de 1 à 4: couches basses chargées d assurer un transport optimal des données Couches 5 à 7: couches hautes chargées du traitement des données 28/11/2008 7

I.S.O et bus de terrain Le Bus de Terrain Le bus de Terrain est basé sur la restriction du modèle I.S.O. à 3 couches Les couches 3 à 6 sont vides: Pas d interconnexion avec un autre réseau Respect des contraintes temps réel: Rapidité Tenir compte des contraintes industrielles Efficacité Gestion des couches basses sur semiconducteur 28/11/2008 8

Exemple: Intégration des couches basses sur ASIC ASI 28/11/2008 9

La couche Liaison: Rôle Doit fournir un moyen de transmission sans erreur. 7 APPLICATION L.L.C. : Logical Link Control Filtrage des messages Recouvrement des erreurs bit/trame Gère le flux M.A.C. : Medium Access Control LLC 2 MAC 1 PHYSIQUE Mise en trame: émission/réception Détection et signalisation du bit erreur Arbitrage: gestion de l accès au médium 28/11/2008 10

Services assurés, gestion Services: Sans connexion et avec acquittement. Avec connexion Gestion de la liaison Gestion des flux, Gestion d erreur, Mécanisme d accès au médium 28/11/2008 11

Contrôle d accès au média (sous couche MAC) Critères de qualité: Equitabilité: Tous les émetteurs doivent avoir l occasion de transmettre leurs messages Déterminisme Tous les émetteurs doivent pouvoir disposer du média pendant un temps finis bien déterminé. Opportunité tous les émetteurs doivent être autorisés à émettre dans un délai qui soit fonction de leur priorité. Robustesse une erreur de communication ou la panne d une station ne doit pas empêcher les autres stations d accéder au média La difficultés: o Deux stations ne peuvent disposer du média simultanément o Cela provoquerait des conflits (collisions) : 28/11/2008 12

Mécanismes d accès au médium Le déterminisme Le déterminisme est une propriété qui autorise le calcul théorique des temps de transfert maxima garantis sur le bus en fonction des conditions d utilisation (nombre d équipements ). Certains mécanismes permettent de garantir ce déterminisme sur les informations critiques tout en gérant aussi des échanges moins prioritaires (dialogue Homme-machine, diagnostic ) 28/11/2008 13

Classification des méthodes d accés Maitre unique Une seule station peut démarrer un échange (maître) Les autres répondent (esclaves) Pair à pair avec arbitration Chaque station peut démarrer un échange Registre à décalage distribué Une seule station (maître) envoie un télégramme Chaque station y prélève ou introduit ses données Multi-maîtres Les stations maîtres se partagent un jeton unique, Celle qui possède le jeton peut démarrer un échange Elle le libère quand elle a terminé 28/11/2008 14

Accés a maitre unique Maître-esclave le maître est à l initiative de tous les échanges les esclaves, se contentent de répondre lorsque le maître le leur demande (adresse). Organiser une scrutation cyclique des esclaves=>temps de cycle réseau (polling cyclique) Beaucoup de bus de terrain actuels (ASI, Modbus 28/11/2008 15

Accès à maître unique maître esclave Avantages Simple et facile a mettre en œuvre Déterministe (temps de mise à jour garantit) Les stations esclaves ne sont pas trop complexes Inconvénients Communication entre deux stations esclaves impossible Même les stations qui n ont rien a dire doivent être périodiquement interrogées (perte de temps) Une panne du maître bloque tous les échanges 28/11/2008 16

Accès à maître unique Arbitrage de bus l arbitre de bus, attribue un droit de parole à tour de rôle à chacun des autres équipements. Chaque équipement peut adresser ses informations à n importe quel autre équipement, ou même à tous simultanément (diffusion) Ex: WorldFip 28/11/2008 17

Arbitrage de bus EX: WorldFip 28/11/2008 18

Mode d accès au support Bus à Jeton Un jeton, correspondant à un droit de parole, passe de station en station, selon un ordre et un temps déterminé Chaque station peut émettre vers n importe quelle autre station tant qu elle possède le jeton. Multiplexage temporel Ex: Modbus + 28/11/2008 19

Registre a décalage distribué sur anneau Les stations sont interconnectées par une chaîne de liaisons point à point monodirectionnelles. Le maître envoie un long télégramme Chargé des sorties Avec éventuellement des places libres pour les entrées Les esclaves forment un registre à décalage. Ils retransmettent quasi immédiatement chaque bit après remise en forme Ils mémorisent l état de leur sorties Ils inscrivent l état de leurs entrées Le derniers esclave renvoie le télégramme au maître. 28/11/2008 20

Registre a décalage distribué sur anneau 28/11/2008 21

Mode d accès au support: Mécanismes hybrides o Plusieurs maîtres forment un anneau virtuel et s échange un jeton unique. o Celui qui le détient communique comme si il était seul. 28/11/2008 22

Accès multi-maîtres à jeton 28/11/2008 23

Accès paire à paire avec arbitration Les stations sont toutes équivalentes Toutes sont à l écoute, Celle qui veut émettre attend que le média soit libre pour transmettre son message. Problème: 2 ou plusieurs stations commencent à émettre en même temps => Collision 2 types de réaction CSMA: Carrier Sense Multiple Acces (Ex: Ethernet). Les stations arrêtent leur émission et attendent. Collision avec gagnant (Ex: CAN) Un seul émetteur continu à émettre 28/11/2008 24

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Chaque station observe si le média et libre: Carrier Sense Si oui, elle peut commencer à émettre Elle observe alors si son message n est pas perturbé: collision detect Si c est le cas, elle s arrête d émettre Elle fait un nouvel essai Après une durée d attente aléatoire: CSMA/CD (ethernet) Le temps d attente est fixé pour chaque station suivant des critères de priorité: CSMA/CA (collision avoidance) 28/11/2008 25

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access La détection des collisions amène des contraintes. Un message de A vers B a besoin du temps T propagation pour arriver. Si B à commencé à émettre juste avant, il doit continuer lui aussi pendant T propagation. La longueur d un message doit donc être au minimum de 2* T propagation pour pouvoir être détecté. Il faut aussi penser aux retard matériels, aux commutateurs Les messages doivent être long: 72 octets minimum (env 150m) Peu efficace sur des messages courts. 28/11/2008 26

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access 28/11/2008 27

CSMA Accès par dominance de bit. Les coupleurs de bus sont non symétriques. ex;: collecteur ouvert sur média cuivre Si plusieurs stations émettent simultanément, l état 0 est dominant. Dés qu une station lit un «0» alors qu elle émet un «1», elle perd la priorité et cesse d émettre Chaque station commence par émettre son identité. Celle dont l identité est la plus basse domine et continue d émettre. Bit dominant : 0 - Bit récessif : 1 28/11/2008 28

CSMA Accès par dominance de bit. 28/11/2008 29

Synthèse Partage du canal Multiplexage synchrone: Chaque utilisateur dispose d'un temps d'occupation du médium Multiplexage asynchrone Accés aléatoires Méthode de compétition (CSMA/CD - CA) - scrutation du médium - émission si libre - si collision: - gestion de priorité ou - attente aléatoire et recommencer Accés controlés Gestion centralisée Scrutation par polling (cyclique ou non) Une station maitre interroge des stations esclaves. Gestion décentralisées Circulation d'un droit d'accés appelé jeton. Si la station n'a pas à emettre elle passe le jeton a la suivante sinon elle envoie ses données puis passe le jeton. 28/11/2008 30

Détection d erreur Une erreur dans la transmission est peu probable, mais possible tout de même (CEM, vieillissement, alimentation ) Elle peut entraîner des dommages graves Blessures graves, voir mortelles Destruction de la marchandise produite, arrêt de production, dommages à l outils de production. Pour ces raisons, l industrie est exigeante en matière d intégrité des données transmise. C est au niveau de la couche OSI n 2 que la détection d erreur est la plus facile. 28/11/2008 31

Mesure d efficacité de la détection d erreur Distance de Haming Le nombre d erreurs simultanées détectables s appelle: Taux d erreur résiduel e = HD - 1 28/11/2008 32

Détection et correction d erreur Le contrôle de parité 28/11/2008 33

Détection et correction d erreur Contrôle de redondance cyclique CRC 28/11/2008 34

Détection et correction d erreur Contrôle de redondance cyclique CRC 28/11/2008 35

Couche application En automatisme: Protocoles permettant le dialogue d application à application (modbus) Mais aussi Producteur de mail (SMTP) Administration, surveillance d un réseau Diagnostic, éditeur de données, éditeur graphique, alarme. Resynchronisation des données. 28/11/2008 36