Cours réseaux de terrain

mercredi 26 octobre 2011, par Cayrel

Cours au format pdf ici

MC-ARS21 - Réseaux de terrain

1 Considérations techniques

1.1 Les objectifs de la formation

Définition du concept bus de terrain pour acquérir les bases nécessaires permettant de faire son choix en fonction de son propre besoin
Illustration par l'exemple

1.2 Qu'est-ce qu'un bus de terrain ?

Terrain : indique quelque chose de limité ou délimité géographiquement (usine, atelier, voiture...)
Bus : au sens informatique industrielle, conducteur ou ensemble de conducteurs communs à plusieurs circuits permettant l'échange de données entre eux
- liaisons communes
- plusieurs circuits
- référence à la topologie de la configuration
Réseau : ensemble de lignes de communication qui desservent une même unité géographique
- peut être composé d'un seul bus.
- caractérisé par une topologie.
- permet une gestion répartie : diagnostic, maintenance...

Un bus de terrain est un système de communication entre plusieurs ensembles communiquants (capteurs, microcontrôleurs, actionneurs, mémoires...).
Objectifs :
- Améliorer la fiabilité du système de transmission.
- Réduire les coût d'installation et de maintenance.
- Permettre un contrôle décentralisé du système.

Topologie différente
- participants multiples
Liaison différente
- Liaison point à point → Liaison multipoint
  Figure 1: (ex RS 232/V.24)
Communications différentes
- Communications Maître/Esclave → Communications multimaître
- Potentialité de conflits d'accès

Bus/réseau de terrain:
- Terme générique d'un nouveau réseau de communication numérique dédié
- Réseau bidirectionnel, multibranche ("multidrop"), série reliant différents types d'équipements d'automatisme :
  - E/S déportées
  - Capteur / Actionneur
  - Automate programmable
  - Calculateur
- Réseau de communication plus général entre équipements déportés

But initial :
- Remplacement des boucles analogiques de courant 4 - 20 mA
Mais aussi :
- Distribution (décentralisation) du contrôle, du traitement des alarmes, diagnostics aux différents équipements de terrain
- Intelligence déportée au niveau de ces équipements
- Interopérabilité (système ouvert ?)

Augmentation de l'efficacité (précision, formalisation des échanges entre équipements)
Diminution des coûts (réutilisation possible du câblage existant, moins de "filasse")
Augmentation globale de la qualité

1.3 Avantages et inconvénients

Principal avantage

Réduction des coûts

Réduction des coûts initiaux

Réduction massive du câblage : 1 seul câble en général pour tous les équipements au lieu d'un par équipement
Possibilité de réutiliser le câblage analogique existant dans certains cas
Réduction du temps d'installation
Réduction du matériel nécessaire à l'installation

Réduction des coûts de maintenance

Complexité moindre donc moins de maintenance (fiabilité accrue)
Maintenance plus aisée : temps de dépannage réduit, localisation des pannes possibles grâce à des diagnostics en ligne ("on line") donc à distance
Outils de test dédiés (analyseur...)
Flexibilité pour l'extension du bus de terrain et pour les nouveaux raccordements

Performances globales accrues

Précision : communications numériques : la donnée numérique transférée est sans erreur de distorsion, de réflexion... contrairement à un signal analogique
Les données et mesures sont généralement disponibles à tous les équipements de terrain
Communications possibles entre 2 équipements sans passer par le système de supervision
La structure distribuée permet de faire résider des algorithmes de contrôle au niveau de chaque équipement de terrain (chaque noeud)
Accès à des variables multiples pour un noeud

Figure 2: Étape 1 : système de contrôle direct : contrôle centralisé vers 1 seul ordinateur dans la pièce de contrôle source : SMAR

Figure 3: Étape 2 : système de contrôle distribué : le contrôle est partiellement distribué à quelques cartes de contrôle dans la pièce de contrôle source : SMAR

Figure 4: Étape 3 : système bus de terrain : contrôle totalement distribué sur le terrain source : SMAR

Figure 5: Passage de la boucle de courant analogique 4-20 mA au bus de terrain source : SMAR

Autres avantages

Interopérabilité importante grâce au soucis de standardisation (système ouvert) aux niveaux hard et soft
- Choix pour l'utilisateur final : prix, performances, qualité...
- Le standard profite à l'utilisateur et non pas au vendeur
- Possibilité de connexion d'équipements de différents fournisseurs respectant le même standard
- Echange de données par des mécanismes standards (protocoles)
Modélisation objet des équipements et de leur fonctionnalité : modèle de bloc fonctionnel aidant l'utilisateur à créer et superviser son bus de terrain Topologie physique↔ Vue logique

Connaissances supérieures
- Accès au bus : conflit, arbitrage, temps de latence...
- Sécurité des informations transportées : gestion des erreurs
- Topologie, longueur, débit
- Supports physiques
Investissement en équipements et accessoires (monitoring, maintenance)
- Coûts apparemment supérieurs
Compatibilité totale entre équipements de fournisseurs différents ?
Choix entre solutions propriétaires et standards

1.4 L'ancêtre : la boucle de terrain 4-20mA

La boucle analogique de courant 4-20 mA est l'ancêtre du réseau de terrain apparu dans les années 60
C'est donc un réseau de transmission de données analogiques
Il n'a pas été complètement normalisé (notamment au niveau connectique...)

But
- La boucle de de courant 4-20 mA est un moyen de transmission permettant de transmettre un signal analogique sur une grande distance sans perte ou modification (notable) de ce signal

On a toujours eu un besoin de transmettre un signal analogique depuis le capteur (analogique)
Au début les ingénieurs ont eu de grandes difficultés à trouver un signal électrique qui pouvait être transmis sur des fils sans introduire des erreurs. L'utilisation d'une simple variation de tension n'était pas assez fiable car un changement dans la longueur et la résistance des fils avait pour conséquence de modifier la valeur mesurée
Lorsque la boucle 4-20 mA est arrivée, elle est rapidement devenue le standard car elle a pu être très précise et ne pas être affectée par la résistance des fils et par les variations de la tension d'alimentation

Réalisation

Pour réaliser la boucle 4-20 mA, il faut au moins 4 éléments :
- l'émetteur
- l'alimentation de la boucle
- les fils de la boucle
- le récepteur
Ces 4 éléments sont connectés ensemble pour former une boucle

Figure 6: Architecture d'une boucle de courant 4-20 mA

L'émetteur:

il est composé d'un capteur qui va mesurer les grandeurs physiques comme la température, la pression... et d'un émetteur de courant 4-20 mA
il convertit la valeur mesurée par le capteur en un courant compris dans l'intervalle 4-20 mA
On a un courant de 4 mA pour la première valeur de l'échelle de mesure du capteur et 20 mA pour la dernière mesure du capteur exemple : si on a un capteur qui doit mesurer une température de 40^°C à 100^°C, 4mA correspondra à 40^°C et 20 mA à 100^°C
Si on lit 0 mA, la boucle ne fonctionne plus ou il y a une erreur dans la boucle

Figure 7: Conversion d'une température 40-100^°C par utilisation d'une boucle de courant 4-20 mA

L'alimentation:

L'émetteur doit être alimenté pour fonctionner. Ceci est réalisé à l'aide des deux fils de la boucle
Le courant de 0 à 4 mA de la boucle sert pour l'alimentation du circuit émetteur (l'émetteur doit donc consommer moins de 4 mA)
La plupart des émetteurs sont alimentés en 24 V mais certains de bonne qualité n'ont besoin que de 12V

Les fils de la boucle

Deux fils relient tous les composants ensemble
Il y a quatre conditions pour le choix de ces fils :
1. très faible résistance
2. bonne protection contre la foudre
3. ne pas subir de tension induite par un moteur électrique ou un relais
4. avoir également une seule mise à la masse, plusieurs masses rendraient la boucle inopérante car une petite fuite de courant de masse dans la boucle risquerait d'affecter l'exactitude de la boucle

Le récepteur :

On a au moins un récepteur dans la boucle (afficheur digital, une table d'enregistrement...)
Les récepteurs se comportent tous comme une charge résistive
Il peut y avoir plus d'un récepteur dans la boucle tant qu'il y a assez de tension pour alimenter la boucle

Si l'on prend par exemple une résistance d'entrée de 250 ohms pour un récepteur, on perdra 5V à cause de la tension développée aux bornes de la résistance pour un courant de 20 mA
De même un courant de 4 mA causera une chute de tension de 1V
Si l'on prend trois récepteurs avec une résistance d'entrée égale à 250 ohms, on aura une perte total de tension maximale de 3×5 = 15V pour un courant de boucle de 20 mA
L'alimentation de la boucle devra fournir ces 15V en plus de la tension nécessaire pour le fonctionnement de l'émetteur et des pertes (négligeables) dues à la résistance du fil.

Installation et tests de la boucle :

Pour installer la boucle, il suffit de relier en série l'émetteur, l'alimentation et le récepteur avec le fil
Après avoir alimenté la boucle et avoir inséré un milliampèremètre, on doit lire un courant d'une valeur comprise entre 4 et 20 mA dépendant de la sortie de l'émetteur
Il existe des appareils pour tester la boucle affichant précisément le courant de la boucle qui simule l'émetteur ou le récepteur

1.5 La normalisation des bus de terrain : un accouchement difficile

40' : Process de contrôle de capteurs de pression (USA)
60' : Apparition du standard boucle analogique 4-20 mA (11 ans)
70' : Boom des processeurs - contrôle centralisé
80' : Contrôle distribué - capteurs intelligents - réseau de terrain - début de la normalisation
94' : WorldFIP (World Factory Information Protocol, Europe) et ISP (Interoperable System Project, USA) fusionnent pour donner la Fieldbus Foundation (FF)
- couche physique : sept 1992
- couches liaison, application... : prévues fin 1998 mais non abouties ...

Constat : plus de 10 ans de normalisation (un standard de télécommunication met 3 ans à sortir)
- L'idée de base était d'avoir un standard avant la sortie de produits commerciaux
- Lobbying actif de groupes d'intérêt ...échec de la normalisation niveau liaison fin 1998
Ralentissement de l'émergence d'un standard international de bus de terrain
L'absence d'un standard a entraîné l'apparition de solutions propriétaires devenues standards de faît (dû à une attente trop longue)

On distingue actuellement 2 types de bus/réseaux de terrains :
- Standards de fait : Interbus-S, ASI, Lonworks (capteur/actionneur)
- Standards internationaux :
  WorldFIP (France, Italie) (NFC 46-600)
  - Honeywell
  - Cegelec
  - Télémécanique
  - EDF...
  PROFIBUS (PROcess Field BUS, Allemagne) (DIN 19245) intégré à ISP (Interoperable System Project, USA)
  - Siemens
  - Fisher Controls (USA)...

Cohabitation entre des standards de fait et des standards internationaux (Analogie avec Internet et les protocoles réseaux)
- Assainissement de l'offre bus de terrain : seuls devraient subsister les produits reconnus par tous
- Homogénéisation de l'offre : le modèle OSI est le modèle de référence
- Difficulté pour l'utilisateur final de s'y retrouver et de faire le bon choix (pérennité assurée ?)
Problèmes de compatibilité possible au niveau utilisateur pour des produits de fabricants différents ayant les mêmes caractéristiques de bas niveaux (volonté de conserver le client ?)

Généralement, on regroupe sous le terme "bus de terrain" tous les bus de communication industriels
On distingue néanmoins par complexité décroissante :
- Le bus d'usine : réseau local industriel basé sur EtherNet de type MAP ou TOP (se rapproche du réseau local IP)
- Le bus de terrain ("Field Bus")
- Le bus de bas niveau ("Sensor Aktor Bus") : bus capteur/actionneur
  - MAP : Manufactoring Automation Protocol
  - TOP : Technical and Office Protocol
  - IP : Internet Protocol

Bus de terrain :
- Permet l'envoi de trames de qq. diz. d'octets à 256 octets...
- Temps de réaction de qq. ms à qq. diz. de ms
- Relie des unités intelligentes qui coopèrent dans l'exécution de travaux (coopération de tous les noeuds)
- Communications Maître/Esclave ou Multimaître
- Possibilité d'accès au niveau inférieur (capteur/actionneur)
Bus capteur/actionneur :
- Relie entre eux des noeuds à intelligence limitée ou nulle
- Temps de réaction primordial
- Limitation du nombre de données à faire circuler sur le bus (trame unique, fixe, cyclique (Interbus) ou trame avec protocole (CAN) CAN : Control Area Network

Figure 8: Classification des bus de terrain source : M. Matteo CERN

Figure 9: Pyramide CIM (Computer Integrated Manufacturing) source : M. Matteo CERN

Décollage spectaculaire du nombre de bus / réseaux de terrain
- 1995 : 100000 bus / réseaux (France, Allemagne, Italie, GB)
- 2000 : multiplié par 7, + 100000 par an
  source : cabinet Toepfler 1996 L'usine nouvelle 11/96

Figure 10: source : enquête club Interbus 1997

3 catégories intéressées :

Consommateurs : ceux qui ont à travailler sur une installation utilisant un bus de terrain et qui y sont transparents
Intégrateurs de système utilisant un bus de terrain
Producteurs, fournisseurs : ceux qui fournissent des équipements se connectant sur un bus de terrain

1.6 Informations techniques générales sur les bus de terrain

Un bus de terrain est un système de communication dédié :
- Respect du modèle d'interconnexion des systèmes ouverts (OSI) de l'Organisation de Standardisation Internationale (ISO) (ISO 7498 1983)
  - OSI : Open System Interconnexion
  - ISO : International Standardisation Organism
Le modèle OSI est une base de référence pour identifier et séparer les différentes fonctions d'un système de communication (vue de l'esprit, modèle logique)
Un réseau de communication est basé sur une structure en couches

Le modèle OSI est un modèle hiérarchique à plusieurs couches ou niveaux :
- Une couche est créée quand un niveau d'abstraction est nécessaire
- Chaque couche exerce une ou plusieurs fonctions précises
- Le choix des frontières entre chaque couche doit limiter le flux de données échangées
- Le nombre de couches doit être suffisant pour éviter de faire cohabiter dans une même couche des fonctions trop différentes
! Modèle OSI à 7 couches ('layers")

L'ISO a quand même proposé des normes (protocoles) pour ces couches (HDLC, X.25-2 (LAP-B)...)
Le modèle OSI décrit seulement ce que chaque couche doit réaliser
Le modèle OSI ne propose pas une architecture de réseau universelle
Chaque couche assure un ensemble de fonctions spécifiques :
- 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

Le modèle OSI possède 7 couches :

Éléments d'interconnexion

Nécessité d'ajouter des éléments dans un réseau de communication pour :
- Extension de réseau (plus de noeuds, plus long)
- Lien vers un autre type de réseau
Différents type d'appareils mis en oeuvre suivant le niveau du modèle OSI considéré

Répéteur ou amplificateur ("repeater") :
- Amplification du signal pour augmenter la distance
- Conversion de signaux (RS-485 vers fibre optique)

Pont ("Bridge") :
- Conversion de signaux (couche 1) et de format des trames (couche 2)

Routeur ("router") :
- Conversion de format des paquets et notamment des adresses
- Routage des paquets suivant adresse entrante vers des liens prédéfinis (sous-réseau ou "subnetwork") (routeur IP)
- Système intelligent (diminution du débit)

Passerelle ("gateway") :
- Conversion de format de messages d'une des couches supérieures (4 à 7)
- Généralement confondu avec un pont

On peut classer un réseau suivant différents critères :
- Distance entre les éléments les plus éloignés
- Débit maximum
- Nombre maximum de noeuds
- Protocoles mis en oeuvre (méthode d'accès au médium)
- Topologie
Les différentes topologies possibles sont :
- Anneau ("ring")
- Etoile ("star")
- Bus
- Arbre ("tree")

Figure 11: Topologie en anneau

Figure 12: Topologie en étoile

Figure 13: Topologie en arbre

Figure 14: Topologie en bus

Importance fondamentale de la couche liaison de données
Division en 2 sous-couches :
- Sous-couche LLC ("Logical Link Control"):
  - Filtrage des messages
  - Recouvrement des erreurs bit / trame
  - Notification de surcharge (overrun)
- Sous-couche MAC ("Medium ACcess") :
  - Mise en trame, gestion émission / réception
  - détection / signalisation erreur bit
  - arbitrage : gestion des accès simultanés sur le médium car collisions possibles
  - temps de latence (valeur garantie ?)
  - importance de la topologie

Accès avec protocole orienté connexion :
- Protocole des réseaux actuels
- 2 noeuds sont physiquement connectés (phase d'établissement d'une liaison avant émission de données)
- Possibilité de passer à travers plusieurs noeuds
- Déterministe si les 2 noeuds sont adjacents
Figure 15: Accès avec protocole orienté connexion

Accès par "polling" :
- Un noeud maître consulte périodiquement les noeuds esclaves par un message de polling leur donnant le droit d'émettre
- Système centralisé (Maître/Esclave)
- Point faible : maître
- Peu efficace
- Communication entre esclaves possible via le maître
- ex : Profibus
Figure 16: Accès par "polling'

Accès par multiplexage temporel ("Time Division Multiple Access") :
- Emission d'un mot de synchronisation par le noeud maître
- Emission des données par tous les noeuds à un Intervalle de Temps précis (IT)
- Taille des données fixe
- Meilleur efficacité que le polling
Figure 17: Accès par multiplexage temporel ("Time Division Multiple Access")

Accès jeton sur anneau ("Token Ring") :
- Topologie en anneau
- Circulation d'une trame particulière (jeton) de noeud en noeud quand pas d'émission
- Le noeud désirant émettre sur le médium garde le jeton, émet sa trame puis rend le jeton
- Connexion point à point, déterminisme
- Problèmes si médium rompu, perte ou duplication de jeton
- Variante : bus à jeton
  
  Figure 18: Accès jeton sur anneau ("Token Ring") ex. bus FDDI

Accès par dominance bit ("Binary Countdown") :
- Les noeuds attendent un blanc avant d'émettre
- Chaque trame possède un identificateur (peut être l'identificateur du noeud)
- On distingue le bit dominant du bit récessif
- Accès multiples possibles
- En cas de contention, l'arbitrage se fait sur les bits de l'identificateur ("Bitwise Contention")
- Introduction de priorités
- Efficacité importante
- L'arbitrage introduit une longueur max du réseau

Principe de l'arbitrage par dominance bit

Accès CSMA/CD ("Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection") :
- Les noeuds attendent un blanc avant d'émettre
- Si plusieurs émissions simultanées, détection de la collision
- Accès multiples possibles
- En cas de contention, l'arbitrage se fait par durée d'attente aléatoire pour chaque noeud en collision
- Problème si charge élevée, peu déterministe (risque de blocage)
- ex : bus EtherNet
Figure 19: Accès CSMA/CD

Accès CSMA/CA ("Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance") :
- Les noeuds attendent un blanc avant d'émettre
- Accès multiples possibles
- Si détection collision, émission d'un signal "jam" suivi d'une trame de gestion de contention avec IT
- ex: réseau LON, WIFI, Zigbee
  Figure 20: Accès CSMA/CA

Un bus de terrain est basé sur la restriction du modèle OSI à 3 couches :
- Couche physique
- Couche liaison de données
- Couche application
Cette modélisation est respectée par les standards de fait et internationaux
Le standard international ISA/SP50 a en plus normalisé la partie applicative, c'est à dire la fonction d'automatisme réalisée par le système. Les concepts de la programmation objet ont été utilisés

standard de fait standard ISA/SP50
Couches 3 à 6 vides :
- Pas de besoin d'interconnexion avec un autre réseau
- Gain en performance

Le bus de terrain ISA/SP50 possède en plus :
- Implémentation d'une stratégie de contrôle global distribué modélisée sous forme de blocs fonctionnels ("function block")
- Mise en place d'une base de données répartie distribuée sur le réseau pour le contrôle et l'acquisition
  • Bloc supervision ("system and network management") :
- Configuration, monitoring, contrôle des ressources du réseau

1.7 Solution 0 : FF

Description du standard international ISA / SP50

Tous les équipements connectés au médium ont les mêmes paramètres
Couche physique :
- Reprise du standard CEI (IEC 1158)
- Echange de données série, SYN, half duplex
- Médium : paire torsadée blindée (FO, radio : à l'étude)
- 3 débits normalisés : 31.25 Kb/s (H1), 1Mb/s, 2.5 Mb/s
- Topologie : bus, arbre (31.25 Kb/s seulement), point à point avec résistance de terminaison 150 W
- Nombre de noeuds max : 32
- Téléalimentation possible 9-32 V DC

Couche physique : une (r)évolution :
- projet HSE (High Speed EtherNet) (norme IEC 61158)
HSE est destiné à collecter et distribuer l'information mais ne possède pas le déterminisme nécessaire aux applications à temps critique

Couche physique :
- Utilisation d'un code de ligne Manchester (une transition par élément binaire pour transfert du rythme)
- Modulation du courant par ce code (15-20 mA) source : SMAR

Couche physique :
- Définition d'une structure de trame (préambule, données niveau liaison, délimiteur) source : SMAR

Couche liaison MAC :
- Un noeud maître actif, des noeuds esclaves (ont le droit seulement de répondre au maître)
- Accès au médium par polling avec jeton : on peut avoir plusieurs maîtres déclarés, seul le maître ayant le jeton est le maître élu pour interroger les noeuds esclaves (pas de contention)
- Chaque trame possède les adresses source et destination
- Code CRC 16 bits pour détection des erreurs
Couche liaison LLC (en cours de normalisation) :
- Définition de 2 types de message :
- Message opérationnel : faible volume, temps critique (variable, contrôle...)
- Message de fond ("background") : fort volume, non temps critique (configuration, diagnostics...)

Couche application :
- Modèle Client / Serveur : transfert de données acyclique entre 2 applications
- Modèle Producteur / Consommateur ("publisher / subscriber") : transfert de données cyclique entre 2 applications (contrôle capteur/actionneur)
! Bus de terrain en cours de normalisation (couche liaison adoptée fin 1997 !!!)

2 Illustration

2.1 Solution 1: CAN (cf T.D.)

CAN : Acronyme de "Control Area Network"
CAN est un standard de fait développé par Robert Bosh GmbH et Intel (1985) et qui respecte le modèle OSI (1,2). Le niveau application a été défini par ailleurs
Le bus de terrain CAN est un produit reconnu
- Norme ISO 11898 (applications haut débit)
- Norme ISO 11519 (applications faible débit)

CAN a été initialement été développé pour l'industrie automobile mais est aujourd'hui utilisé pour l'automatisme et les applications de contrôle

CAN est à ranger dans la catégorie des bus de terrain
CAN possède des composants chez différents fondeurs
- Hitachi, Motorola (68HC12), NS, NEC, Philips (87C592, 82C250), Siemens SGS Thomson, Toshiba
- Circuits bon marché !!!

CAN connaît un essor important
- 11 millions de noeuds en 1996
- 149 millions de noeuds attendus pour 2001 !

Les circuits CAN peuvent être de 2 types :
- Circuit "Basic CAN" : lien intime entre le protocole CAN et le microcontrôleur : comportement de type UART. Le micro est interrompu à chaque message émis sur le bus par un autre noeud
  - charge CPU importante
Circuit "Full CAN" : filtrage des messages (suivant leur identificateur) pour réduire la charge CPU et ne pas interrompre le microcontrôleur
- "buffering"

Couche physique :
- Médium : 1 paire torsadée blindée ou non
- Codage NRZ binaire
- Signaux émis en différentiel sur la paire
- Nombre max de noeuds : théoriquement suivant la taille du champ d'identification, pratiquement < 120 (suivant le circuit employé)
- Débit brut de 5 kb/s à 1 Mb/s suivant la longueur du réseau

Couche physique :
- Topologie : bus
- Standard 11519 pour faible débit (< 125 kb/s)
- Standard 11898 pour haut débit : connecteur SUB-D 9 points

Couche liaison :
- Communications multimaître
- Arbitrage de type CSMA/CA
- Arbitrage sur le champ d'identificateur de la trame (message)
  - Bit dominant : 0
  - Bit récessif : 1
- L'entête (identificateur) de la trame donne sa priorité
  - Identificateur faible = priorité forte
  - La trame de plus forte priorité est toujours transmise Le temps de latence dépend de la charge du bus (priorité la plus forte = 137 * bit_time pour CAN 2.0A)

Couche liaison :
- 2 standards de trames définie :
  - "Standard CAN" 2.0A: ID sur 11 bits (2032 noeuds en théorie)
  - "Extended CAN" 2.0B : ID sur 29 bits (536870912 noeuds en théorie)
  Standard CAN 2.0A

Couche liaison : structure de la trame "Standard CAN"
- SOF : Start Of Frame
- RTR : Remote Transmit Request : distinction entre une "data frame" et une "remote frame"
- r0, r1 : bits dominants : réservés
- DLC : taille des données en octets (4 bits) : 0 à 8 octets
- CRC : code de redondance cyclique : CRC15
- ACK : ACKnoledge (2 bits dont 1 récessif) : acquittement de la trame
- EOF : 7 bits récessifs
- INT : 3 bits récessifs
Taille des données : au plus 8 octets
Protection contre les erreurs par CRC 15 bits TEB < 5.10-11

Couche liaison : différents types de trames sont définis
- "data frame" : trame de données
- "remote frame" : trame de demande d'émission de données par un noeud
- "error frame" : trame d'erreur
Le bus de terrain CAN
Couche application :
- N'est pas explicitement définie dans le standard CAN
- Différents types de couches application pour CAN existent actuellement
- Gestion par le CiA : "CAN in Automation group"

Le CiA :
- Organisation basée à Erlangen (Allemagne)
- Groupement d'industriels (250)
- But : fournir la technique, des produits, des informations, du marketing et promouvoir CAN
- Supporte différentes couches application pour CAN
CAL (CAN Application Layer) :
- Est maintenu par le CiA et peut être obtenu gratuitement sans royalties. Les spécifications peuvent être obtenues auprès du CiA (CiA DS-201...207) (bibliothèque en langage C)

CANopen : Version simplifiée de CAL supportée par le CiA
DeviceNet : Version développée par Rockwell/Allen-Bradley. Licence à acquérir au préalable. Pas de royalties. Approuvé par le CiA. La couche applicative est portée sur EtherNet/TCP/IP (projet EtherNet/IP)
SDS (Smart Distributed System) : Version développée par Honeywell. Pas de royalties. Approuvé par le CiA

Contacts :
Revendeurs de composants habituels
I+ME/ACTIA/AIXIA
4, chemin de Pouvourville
BP 4215
31432 TOULOUSE

CiA
Am Weichselgarten 26
D 91058 ERLANGEN
Allemagne

2.2 Solution 2 : EtherNet

EtherNet est une technologie de plus en plus utilisée comme solution de communication dans l'industrie
Utilisation inéluctable dans les ateliers : technologie banalisée, performante, fiable, peu onéreuse
Son point faible : son indéterminisme dû à la méthode d'accès CSMA/CD
Mais EtherNet sera incontournable pour mettre en oeuvre des programmes d 'automatisation répartis d'autant plus que les flux de données ne cessent de croître

Les alternatives EtherNet industrielles :

4 alternatives existent (et s'affrontent) :
- Initiative EtherNet/IP de Rockwell
- Projet ProfiNet de Siemens
- Spécification HSE de Fieldbus Foundation
- Initiative IDA soutenue par Schneider Electric
2 grandes catégories de solutions techniques :
- Solutions qui encapsulent les données dans une trame EtherNet ou paquet TCP/UDP
- Solutions qui utilisent des passerelles ou des serveurs " proxy "

Acronyme de EtherNet/Industrial Protocol INITIATIVE EtherNet/IP
Encapsulage de messages deviceNet ou ControlNet dans un paquet TCP ou UDP

Initiative HSE

Acronyme de High Speed EtherNet de Fieldbus Foundation (FF)
Fédération des bus de terrain supportant le mode de transmission H1
HSE est basé sur l'encapsulage du protocole H1 dans une trame EtherNet à 100 Mb/s
On retrouve dans HSE toutes les caractéristiques de H1 (modèle producteur/consommateur, approche objet...)

Et l'EtherNet avec TCP/UDP/IP ?

Possible dans une certaine mesure si :
- EtherNet 100 Mb/s 1000Mb/s
- EtherNet commuté
- Utilisation du protocole de transport UDP et non TCP

2.3 Connectivité Internet

Protocoles de l'Internet

Internet désigne en fait une famille d'une vingtaine de protocoles dont font partie les protocoles TCP, UDP et IP
En réseau local, moins d'une dizaine d'entre eux sont utilisés. Internet se positionne d'emblée comme un protocole d'interconnexion de réseaux hétérogènes
Il est totalement indépendant des couches basses et du support de transmission (EtherNet, Token Ring, X.25...)

Protocoles de l'Internet

Internet recouvre les couches 3 à 7 du modèle OSI (Open System Interconnexion) sans qu'il puisse y avoir de corrélation précise entre les couches de l'Internet et celles du modèle OSI
En effet, Internet est bien antérieur au modèle OSI (1983)

Figure 21: Protocoles Internet et modèle OSI

Une des raisons de la popularité d'Internet provient de l'adaptabilité de ses protocoles à la plupart des réseaux et média.
Par l'expression ïnterface matérielle", il faut comprendre le support de transmission associé et sa méthode d'accès MAC (Medium Access Control) correspondant globalement aux niveaux 1 et 2 du modèle OSI.
Figure 22: Décomposition des niveaux 1 et 2 des protocoles Internet

Connectivité IP

Avec une intégration sur silicium de plus en plus importante, les solutions logicielles d'hier deviennent des solutions matérielles d'aujourd'hui avec le gain en rapidité d'exécution et de décharge pour le microprocesseur qui en découle
Il semble que l'évolution des solutions matérielles se fasse au détriment des solutions logicielles pour le grand bien du concepteur !

Evolution en cours sur EtherNet 100 Mb/s :
- projet HSE (High Speed EtherNet) (norme IEC 61158)
HSE est destiné à collecter et distribution l'information mais ne possède pas le déterminisme nécessaire aux applications temps critique
La connectivité IP est assurée naturellement par HSE

3 Conclusion. Perspectives

Présentation des concepts et points techniques propres au bus de terrain
- Forte analogie avec un réseau de télécommunication
Présentation de solutions bus de terrain dignes d'intérêt pour les différents types d'utilisateur
- Utilisateur final, fabricant
Difficulté de faire le bon choix en terme de :
- Caractéristiques techniques
- Pérennité et interopérabilité
Coexistence de standards de fait et internationaux
- Prédominance des standards de fait qui proposent des composants d'interface bon marché

3.1 Récapitulatif sur les bus de terrain

Avant de faire un choix qui engage l'entreprise, il faut impérativement se poser un ensemble de questions (recommandations du CERN)
Questions générales :
- Est-ce que le bus de terrain est un standard de fait ou un standard international ?
- Est-ce un système ouvert ou une solution propriétaire ?
- Les spécifications techniques sont-elles publiées par un organisme indépendant ?
- A-t-on des royalties ou des licences à payer ?
- Existe-t-il un " user group " ?
- A-t-on une interopérabilité totale ?

Questions sur le bus de terrain :
- Topologie du réseau ?
- Type du médium ?
- Longueur maximale ?
- Nombre maximum de noeuds ?
- Technique d'adressage ?
- Protocoles mis en oeuvre ?
- Temps de réponse maximum ?
- Débit en terme de bits/s ou de messages/s suivant la configuration ?
- Possibilité d'émission de messages ?
- Possibilité de multimaître ?
- Possibilité de diffusion (" broadcasting ") ?
- Réessai sur erreur

Questions sur le bus de terrain (suite) :
- Estimation de la charge de travail pour configurer le réseau ?
- Estimation de la charge de travail ajouter/enlever un noeud ?
- Influence induite par l'ajout ou le retrait d'un noeud ?
- Y-a-t-il une redondance du médium ?
- Peut-on utiliser des répéteurs ?
Questions sur le matériel :
- Immunité au bruit ?
- Durcissement aux rayonnements ?
- Circuits disponibles auprès de différents fabricants ?
- Mémoire embarquée sur le circuit ?

Questions sur le matériel (suite) :
- Fonctionnalités diverses disponibles comme sur un microcontrôleur ?
- Existence de modules du commerce prêts à l'emploi ?
- Téléalimentation ou non ?
Questions sur l'environnement de développement :
- Bus d'interface possibles (VME, PC...) ?
- Logiciels disponibles pour PC : Windows 95, NT ou Linux ?
- Logiciels disponibles pour VME : VxWorks, OS9, LynxOS ?
- Outils de supervision disponibles (configuration, diagnostics...)?
- Interface de programmation disponible (API) ?
- Existe-t-il des testeurs ou analyseurs de protocole pour PC ou autre ?

Questions sur les coûts :
- Coûts des circuits d'interface ou microcontrôleur ?
- Coûts des modules du commerce ?
- Coûts des kits de développement et des licences ?

3.2 Références

Réseaux de terrain. Description et critères de choix. CIAME. Editions Dunod. 1999.
Le bus CAN. D. Paret. Editions Dunod. 1998.
Le bus CAN. Applications. D. Paret. Editions Dunod. 1999.
Revue mensuelle Mesures. Divers articles.
C. Servin, Telecoms volumes 1 et 2, Masson.
M. Maimam, C. Servin, Autoformation en télécoms et réseaux, InterEditions.
G. Pujolle, Les réseaux, Eyrolles.
G. Pujolle, Initiation aux réseaux, Eyrolles.
F. Lepage, Les réseaux locaux industriels, Hermes.

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On 26 Oct 2011, 13:46.