Les rseaux industriels

1
Les réseaux industriels

• Département informatique
• Option SI
• Année 2003-2004
• Philippe Kauffmann

2
Les réseaux industriels

• Les médiums physiques
• La liaison RS232, couche physique et protocoles
  lien liés
• Le protocole HDLC
• Réseaux d automates
• Concepts,
• MODBUS, TELWAY 7
• Réseaux de capteurs
• Concepts,
• BITBUS, CAN, WorldFIP, ASI
• Réseaux  universels 
• Concepts,
• INTERBUS, PROFIBUS

• Généralités
• Architecture d un ensemble industriel
• Les types de réseaux industriels
• Les diverses contraintes
• La réalité des réseaux existants
• Les réseaux d interconnexion
• Rôle,
• MAP, FACTOR,
• LAC et variante VOLUBILIS
• Approfondissement de la couche physique
• Codage et conditionnement des informations

3
Les réseaux industrielsGénéralités

• Architecture d un ensemble industriel

Réseau distant
Etudes, méthodes, gestion Atelier Cellules de
production Machines Systèmes
Usine
Réseau local
Réseau d interconnexion
Automate programmable
MCN Robot
Réseaux de terrain
Circuits intégrés interconnectés
Machines virtuelles
4
Les réseaux industrielsGénéralités
Types de réseaux industriels

• L'architecture d'un ensemble industriel permet de
  distinguer trois familles de réseaux suivant leur
  position dans la hiérarchie.
• Réseaux généralistes réseaux locaux (Ethernet,
  Token Ring, etc.) et distants (Internet, X25,
  Frame Relay, ATM, etc.)
• Les réseaux industriels d'interconnexion,
  destinés à connecter des installations (ateliers
  ou cellules de production entre elles et avec les
  réseaux généralistes). On distingue des réseaux à
  haut débit (MAP, Factor, etc.) et bas débit (LAC,
  etc.).
• Les réseaux de terrain, destinés à relier des
  machines et appareils entre eux (automates, CN,
  robots, contrôleurs de process, etc.), on
  distingue trois niveaux dans la hiérarchie, les
  réseaux d'automates, les réseaux de capteurs, et
  les bus destinés à interconnecter des composants
  ou des cartes électroniques.

5
Les réseaux industrielsGénéralités
Diverses contraintes

• Contraintes temporelles
• Le temps de transit global (temps d'introduction
  et extraction des tampons, latence avant
  émission, durée du paquet) d'un paquet doit
  respecter une borne supérieure, d'autant plus
  faible que le réseau est de bas niveau.
• Dimension des trames
• La dimension minimale des trames est liée à la
  quantité de données à transmettre (quelques bits
  à quelques kilo-octets) plus la taille de chaque
  entête.
• La dimension maximale dépend d'une éventuelle
  fragmentation.
• Débit des liens
• débit net / débit brut "rendement", pouvant
  être inférieur à 3 .
• Fiabilité des liens
• L'environnement industriel étant plus perturbé
  que les autres, des liaisons à fiabilité
  améliorée doivent souvent être retenus, d où
  l utilisation fréquente de médiums spécifiques.

6
Les réseaux industrielsGénéralités
La réalité des réseaux industriels

• Univers très hétérogène
• Interopérabilité quasi inexistante sauf pour les
  réseaux d interconnexion dont un des rôles est
  précisément d assurer l interopérabilité.
• Des systèmes très anciens cohabitent avec les
  plus modernes
• Les dispositifs les plus rustiques s opposent
  aux plus sophistiqués
• Diversité extrême
• en matière de médium
• dans le domaine des protocoles
• dans le domaine des débits et dimensions de réseau

7
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Rôle

• Réseau local de communication
• Entres les ordinateurs de gestion, des bureaux
  d études et de méthodes.
• Avec les cellules de production dans les
  ateliers.
• Entre les machines dans les cellules.
• Interconnexion
• Des modules de conversion permettent
  l interconnexion avec des réseaux différents de
  façon transparente.
• Obligation
• Il doivent, dans la mesure du possible, être
  déterministes.

8
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau MAP ou IEEE 802.4

• Couche physique
• Exploitation de câbles coaxiaux de télévision 75
  Ohm
• Vitesses 5 et 10 Mbps
• Modulation de porteuse FSK sur MANCHESTER
• Exploitation d'informations "non data" (pas de
  transition au milieu du bit)
• Protocole MAC bus à jetons

PS 4 TS 16 NS 15
PS TS 14 NS
PS 13 TS 10 NS 8
PS 10 TS 8 NS 6
contrôleur
PS 8 TS 6 NS 4
PS 18 TS 15 NS 13
PS 15 TS 13 NS 10
PS 8 TS 4 NS 18
PS TS 7 NS
9
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau MAP fonctionnement du bus

• Principe de priorité et d'émission des trames
• Il y a quatre classes de priorité 6 (la plus
  forte), 4, 2, 0.
• Lorsque le jeton arrive, la station mesure le
  temps de boucle réalisé,
• puis elle analyse ses files d'attente de trames
  de la priorité la plus forte à la priorité la
  plus faible.
• Pour chacune des classes elle compare le temps
  nécessaire à l'émission de la trame la plus
  ancienne au temps restant.
• Tant qu'il reste suffisamment de temps, la
  station émet une à une ses trames, en répétant
  l'opération précédante et en attendant, en cas de
  besoin la réponse jusqu'à ce qu'il ne reste plus
  suffisamment de temps.
• La station passe alors le jeton à la station
  suivante.
• Si une trame nécessite une réponse, la station
  suivante ne commence son processus d'émission
  qu'après la transmission de la réponse.

10
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau MAP administration

• Situations exceptionnelles à gérer
• création d'un jeton,
• gestion de la contention au moment de la création
  du jeton,
• suppression d'un jeton dupliqué,
• insertion d'une station ordinaire,
• gestion de la contention au moment de l'insertion
  d'une station ordinaire,
• insertion d'une station ayant l'adresse la plus
  basse,
• gestion de la contention à l'insertion d'une
  station à l'adresse la plus basse,
• changement de successeur,
• gestion de l'échec de changement de successeur,
• duplication de l'adresse d'une station.

11
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau MAP trame

• Structure générale d'une trame

Préambule SFD FC Destination Source
PDU CRC32 ED
Préambule successions 10101010 pendant 2
µs SFD Start Frame Delimitor 1
octet NN0NN000 (N non data) FC
Frame Control 1 octet de contrôle du type de la
trame Destination adresse de destination 2 ou
6 octets Source adresse source 2 ou 6
octets PDU 0 à 8191 octets CRC32
code de redondance cyclique x32x26x23x22x16x1
2x11x10x8x7x5x4 x21 ED
End Delimitor 1 octet NN/NN/IE N non
data / symbole 0 ou 1 I trame
intermédiaire on attend une réponse si I est
actif E bit d'erreur positionné par un
répéteur si une erreur est détectée
12
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau MAP trame

• Structure de l'octet Frame Control

C C C C C C
F F
FF 01 données LLC 10 données de
gestion 00 trame MAC
M M M
P P P
CCCCCC (FF 00) 0 demande de jeton 1 sollicite
successeur 1 2 sollicite successeur 2 3 qui suit
? 4 résolution de contention 5 jeton 6 position
successeur
MMM 0 requête sans réponse 1 requête avec
réponse 2 réponse à requête
PPP 6 priorité maximale 4 priorité moyenne plus 2
priorité moyenne moins 0 priorité la plus faible
13
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau FACTOR

• Caractéristiques principales
• Organisé selon le modèle OSI.
• Utilise un médium de type BUS (câble coaxial 75
  Ohm) à 10 Mbps en mode synchrone, codage de type
  Manchester.
• Possède des communicateurs pour l interfaçage
  vers JBUS, UNITELWAY, MODBUS, TIWAY1, etc.
• Sous-couche MAC CSMA/DCR (résolution de
  collision déterministe)
• performant à faible charge comme le CSMA/CD
• performant à forte charge comme le TDMA
• temps d'accès au médium borné comme avec la
  technique du jeton
• robuste (anomalies récupérées sans délai et sans
  protocole spécifique)
• auto-adaptatif

14
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau FACTOR, principe du CSMA/DCR
Station 0 1 2
3 4 5 6
7
C C
C C
C 1
C C
C
2
C C

3
E

4
E

5

E
6


C C 7

V
8


C C 9


E 10


E 11
temps
15
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau FACTOR, performances du CSMA/DCR
Délai moyen
CSMA/CD
JETON
CSMA/DCR
Charge du médium en
10 20 30 40 50 60
16
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau FACTOR, structure de la trame de niveau
2
F D S C L
PDU DE NIVEAU 2 CRC
F

• F fanion de début et fin de trame
• D station de destination (adresse sur 8 bits)
• S station source (adresse sur 8 bits)
• L longueur de la PDU (de 0 à 1024 octets)
• PDU données de niveau 2, vide pour les trames de
  supervision
• CRC code de redondance cyclique sur 16 bits

17
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau LAC et variante VOLUBILIS

• Caractéristiques principales
• Réseau à prétentions beaucoup plus modestes que
  FACTOR.
• Très utilisé dans les cellules de production.
• BUS de type RS485 à 50 kBauds ou 250 kBauds
  (Volubilis), utilisation de transmission
  asynchrone 8 bits, longueur maximale 4 km.
• Maximum 252 stations, accès au médium par
  CSMA/CD.
• Possède des communicateurs (MIP) pour
  l interfaçage vers des MCN, contrôleurs de
  process, connexions séries RS232, etc.

18
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau LAC et variante VOLUBILIS

• Le niveau 2
• Sous-couche LLC
• break DAD SAD C L
  PDU (0-256 octets) CS
  break
• Sous-couche MAC CSMA-CD
• si le médium est libre depuis plus d'une durée de
  BREAK, on émet, sinon on émet après un temps
  aléatoire à condition que le médium reste
  toujours libre.
• si le BREAK d'entête est vu rallongé ou s'il y a
  une erreur dans la valeur SAD
• il y a eu collision et on arrête l'émission
  immédiatement,
• on tire au sort un temps d'attente aléatoire,
• si le médium est toujours libre après le temps
  d'attente, on émet,
• sinon, on tire au sort un nouveau temps
  d'attente.

19
Les réseaux industrielsLes réseaux
d interconnexion
Le réseau LAC et variante VOLUBILIS

• LAC par rapport au modèle OSI
• couche 1 transmission asynchrone en RS485
• couche 2
• LLC trames avec PDU de 0 à 256 octets, contrôle
  d'erreur par somme de contrôle sur 8 bits
• MAC CSMA/CD par contrôle de caractère "break"
• couches 3 à 6 vides
• couche 7 modules MIP (communicateurs)
  personnalisés en fonction des équipements
  concernés.

20
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiquecodage de l'information

• Données tout ou rien Données à variation
  continue
• interrupteurs,
• détecteurs à seuils,
• commandes marche/arrêt,
• etc.
• Données discrètes
• nombres,
• listes énumérées d'objets
• exemple lettres de l'alphabet.

21
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueconditionnement des informations
22
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLes câbles cuivre, fonctionnement
Champ électrostatique
Champ électromagnétique
R1
R2
Emetteur
Récepteur
23
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLes câbles cuivre, protection
Zo/2
Zo
Zo/2
Emetteur
Récepteur
- Transmission symétrique, adaptation
d'impédance. - Protection supplémentaire par
blindage. - Utilisation d'un câble coaxial. -
Taux d'erreur bit admis 10-10
24
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa fibre optique

• Constitution
• L'émetteur est une diode infrarouge, le récepteur
  une photodiode.
• La fibre est un cylindre en plastique ou verre de
  quelques centièmes à quelques dixièmes de mm de
  diamètre.
• Caractéristiques
• Très faible atténuation 1 dB/km indépendant de
  la fréquence.
• Insensibilité aux parasites électromagnétiques.
• Taux d'erreur bit très faible, de l'ordre de
  10-12.
• La mise en uvre est beaucoup plus délicate que
  le câble cuivre.
• Fonctionnement uniquement en mode SIMPLEX.
• Performances
• Fonctionnement sur longues distances (10 km) à
  des débits de 100 Mbps à 1.5 Gbps.

25
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueInfrarouge et radio

• Infrarouge
• Fonctionnement en vision directe uniquement (1-10
  m).
• Un seul canal disponible.
• Débit 9600 Bauds à 4 Mbps.
• Utilisation libre la réglementation limite
  uniquement la puissance maximale .
• Taux d'erreur bit de l'ordre (BER) de 10-4.
• Utilisé surtout pour les liaisons point à point.

• Radio
• Fréquences attribuées par l'ETSI (accès FDMA).
• Portées 10 m à 30 km.
• Débit 9600 Bauds à 50 Mbps.
• Bandes ISM sans licence.
• Pas de confidentialité.
• Très sensible aux interférences.
• Taux d'erreur bit de l'ordre de 10-3. Taux
  d'erreur trame recherché 10-1.(FER)

26
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Généralités
• Standard de communication série destiné aux
  courtes distances, sans passage par le domaine
  public (dont l'état a le monopole).
• Date des années 50, servait à connecter les
  ordinateurs ou périphériques entre eux via des
  lignes téléphoniques analogiques par
  l'intermédiaire de "modems" destinés à
  transformer les signaux numériques en signaux
  vocaux (analogiques).
• Les modems de cette époque ne comportaient ni
  mémoire ni processeur.
• Mode de transmission
• Modulation NRZ 0 5 à 24 V (12V en général), 1
  -5 à -24 V (-12V en général).
• Transmission sous forme série asynchrone ou
  synchrone.
• Contrôle de la communication par des jonctions de
  contrôle.
• Débit initial 110 Bauds (TTY), puis 300 Bauds
  (pour lignes téléphoniques).
• Débits normalisés 600, 1200, 2400, 4800, 9600,
  19200 Bauds (portée 400-15 m).
• Transporte des caractères de 6, 7 ou 8 bits avec
  ou sans parité.

27
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Définition des principales jonctions en mode
  asynchrone

DB25M
DB25F
AA 101 FG Frame Ground BA 103 TD
Transmit Data BB 104 RD Receive Data CA
105 RS Request to Send CB 106 CS
Clear to Send CC 107 DSR Data Set Ready AB
102 GND signal GrouND CF 109 CD
Carrier Detect CD 108 DTR Data Terminal
Ready CE 125 RI Ring Indicator EIA V24
RS232 (C, D, E)
FG 1 TD 2 RD 3 RTS 4 CTS 5 DSR
6 GND 7 CD 8 DTR 20 RI 22
1 FG 2 TD 3 RD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 GND 8 CD 20
DTR 22 RI
ETTD (DTE)
ETCD (DCE)
28
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Evolution d'une connexion sur un modem
  "intelligent"
• station émettrice - station réceptrice

TD
TD
RD
RD
RTS
RTS
CTS
CTS
CD
RI
1 2 3 4
1 2 3 4
Phase 1 commande de numérotation Phase 2
sonnerie
Phase 3 communication Phase 4 libération
29
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Connexion minimale (sans gestion des signaux
  "modem")

FG 1 TD 2 RD 3 RTS 4 CTS 5 DSR
6 GND 7 CD 8 DTR 20 RI 22
1 FG 2 TD 3 RD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 GND 8 CD 20
DTR 22 RI
ETTD (DTE)
ETCD (DCE)
30
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Connexion intermédiaire (sans gestion des signaux
  "modem")

FG 1 TD 2 RD 3 RTS 4 CTS 5 DSR
6 GND 7 CD 8 DTR 20 RI 22
1 FG 2 TD 3 RD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 GND 8 CD 20
DTR 22 RI
ETTD (DTE)
ETCD (DCE)
31
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Connexion PC compatible BIOS (sans gestion des
  signaux "modem")

FG 1 TD 2 RD 3 RTS 4 CTS 5 DSR
6 GND 7 CD 8 DTR 20 RI 22
1 FG 2 TD 3 RD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 GND 8 CD 20
DTR 22 RI
ETTD (DTE)
ETCD (DCE)
32
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Connexion PC "nul modem" minimale

FG 1 TD 2 RD 3 RTS 4 CTS 5 DSR
6 GND 7 CD 8 DTR 20 RI 22
1 FG 2 TD 3 RD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 GND 8 CD 20
DTR 22 RI
ETTD (DTE)
ETTD (DTE)
33
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28

• Connexion PC "nul modem" cinq fils

FG 1 TD 2 RD 3 RTS 4 CTS 5 DSR
6 GND 7 CD 8 DTR 20 RI 22
1 FG 2 TD 3 RD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 GND 8 CD 20
DTR 22 RI
ETTD (DTE)
ETTD (DTE)
34
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28
organisation des bits
b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 P
repos
0
1
temps
Start bit de départ à zéro b0-b7 bits de
données (6, 7 ou 8) P bit de parité
(paire, impaire, absent, ou 9ème bit) Stop
bit d'arrêt à 1(durée minimale 1, 1.5 ou 2
temps bit) Break niveau 0 durant une durée
supérieure à un caractère N.B. la première
transition 1-gt0 synchronise l'horloge de réception
35
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28
protocole Hayes

• Principe
• Pilote un modem intelligent via les jonction de
  données V24.
• Utilise le mode "commandes" pour agir sur le
  modem et le mode "données" transférer les
  données.
• Toutes les commandes sont des codes ASCII d'une
  lettre précédées de "AT" et suivies de paramètres
  (lettres et ou chiffres).
• Il y a une seule commande en mode "données"
  , elle permet le retour au mode commande.

• Commandes de base
• Z réinitialisation du modem
• D numérotation (param. T ou P)
• A autorise la réponse à un appel entrant
• E active l'écho de commandes
• H provoque le raccrochage
• I demande l'identification du modem
• R passage en retournement (V21 bis)
• Sn? demande du contenu du registre n
• Snx valeur x mise dans le registre n
• Exemple ATDT0473407520ltRCgt
• numérotation en mode bifréquence

36
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28
protocole Hayes

• Terminal
• ATE
• ATZ
• ATS535
• ATDT0473532584
• bonjour
• ltpausegt
• ATH(0)

• Modem
• OK
• OK
• OK
• connexion en mode V21 bis
• modem déconnecté
• OK

37
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28
protocole lien de base XMODEM

• Protocole XMODEM trame

SOH N N
PDU
FCS
SOH entête de trame (A, soit 01) N
numéro de la trame modulo 256 en commençant à
1 N complément du numéro de trame PDU
données par bloc de 128 octets FCS soit somme
de contrôle sur 1 octet, soit CRC16

• Commandes de l'échange
• C initiation d'un échange en mode CRC
• ltNAKgt initiation d'un échange en mode LRC
• ltACKgt acquittement positif
• ltNAKgt acquittement négatif
• ltEOTgt achèvement de l'échange

38
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28
protocole lien de base XMODEM

• Exemple d'échange
• terminal modem

C trame 1 trame 2 trame 2 trame 3 (1s)
trame 3 ltEOTgt
ltACKgt ltACKgt ltNAKgt ltACKgt ltACKgt ltACKgt
39
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28
protocoles lien YMODEM et ZMODEM

• YMODEM
• évolution de XMODEM
• les trames font 512 octets au lieu de 128
• la trame 0 est utilisée, elle contient le nom et
  la taille du fichier
• ZMODEM
• évolution de YMODEM
• automatise les échanges
• pilote et configure le modem (commandes HAYES)
• gère les répertoires de l'ordinateur local et
  distant (sous DOS)

40
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28 le
protocole lien SLIP

• Principe général de SLIP (Serial Link Interface
  Protocol)
• permet de transmettre des données IP
  (exclusivement) à travers un modem.
• Les trames constituent les données IP avec
  l'octet C0h ajouté en suffixe.
• C0h dans la trame est remplacé par DBh, DCh. DBh
  par DBh, DDh.
• Supporte des scripts pour initier les échanges
  (établissement de connexion).
• Accepte (après négociation) la compression des
  entêtes TCP/IP de 40 à seulement 3 à 5 octets
  selon l'algorithme de Van Jacobson (variante
  CSLIP pour Compressed SLIP).
• Fonctionnement
• Un script définit les trames successives à
  envoyer, et quelle réponse fournir à chaque trame
  au cours de la phase de connexion.
• Les commandes Hayes, nom d'utilisateur, mot de
  passe et autres informations essentielles sont
  passées via le script.

41
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueLa liaison RS232 ou V24, V28 le
protocole lien PPP

• Principe général de PPP (Point to Point Protocol)
• Evolution très utilisée du protocole SLIP qui
  s'inspire de HDLC.
• Supporte de nombreux protocoles ne niveau
  supérieur car le protocole encapsulé est défini
  dans l'entête de la trame.
• Il existe deux variantes du protocole (négocié
  durant la phase de connexion).
• Le fonctionnement normalisé évite l'usage de
  scripts.

fanion adresse contrôle protocole PDU
CRC fanion
7E FF 03 (UI) 0021 (IP)
datagramme IP CRC 7E
trame standard
7E 21 (IP) datagramme IP
CRC 7E
trame comprimée
42
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueProtocole HDLC trame

• Structure générale d'une trame

Fanion Adresse Commande PDU CRC16 Fanion

• Fanion 01111110
• Adresse 0 à 255
• Commande 1 ou 2 octets
• PDU 0 à 255 octets
• CRC16 code de redondance cyclique polynôme
  générateur x16 x12 x5 1
• Transmission NRZI avec insertion automatique de
  0
• 0 -gt niveau opposé au précédant
• 1 -gt niveau inchangé par rapport au précédant
• insertion automatique d un 0 tous les cinq 1
  successifs

43
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueProtocole HDLC structure des
commandes

• Structure des mots de commande

15 0
mode étendu
N(R) P/F N(S)
0 I information
15 0
mode étendu
N(R) P/F x x x
x S S 0 1 S supervision
7 0
N(R) P/F N(S) 0 I
information
7 0
N(R) P/F S S 0 1 S
supervision
7 0
U U U P/F U U 1 1 U
non numérotée
44
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueProtocole HDLC principales
commandes

• Commandes de supervision
• RR Receive Ready valeur 0
• RNR Receive Not Ready valeur 1
• REJ REJect valeur 2
• SREJ Selective REJect valeur 3
• Commandes non numérotées
• XID eXchange Identificators
• TEST TEST
• CMDR CoMmanD Reject
• FRMR FRaMe Reject

• Commandes non numérotées (suite)
• SNRM Set Normal Response Mode
• SARM Set Asynchronous Response Mode
• SABM Set Asynchronous Balanced Mode
• SNRME SNRM Extendend
• SARME SARM Extendend
• SABME SABM Extendend
• UI Unumbered Information
• UA Unumbered acknoledgment
• DISC DISConnect
• DM Disconnect Mode

45
Les réseaux industrielsApprofondissement de la
couche physiqueProtocole HDLC échange en mode
LAPB
Station 0
Station 1
SABM (P)
UA (F)
I, 0, 0
I, 1, 0
I, 2, 0 (P)
RR, 3 (F)
DISC (P)
UA (F)
46
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
Concepts

• But
• Les réseaux d'automates sont destinés à permettre
  la communication entre des automates
  programmables qui eux-mêmes pilotent les chaînes
  de production.
• Les données en provenance des capteurs et
  actionneurs doivent pouvoir transiter entre les
  automates, ainsi que des données de
  configuration/contrôle et les programmes des
  automates.
• Protocoles, trames et débits
• les quantités de données à transmettre sont
  faibles (trames de quelques octets à 256 octets),
  le débit est en rapport, il n'y a pas de
  communication entre réseaux.
• Standards
• Chaque fabricant d'automates utilise un ou
  plusieurs standards propriétaire, seul MODBUS est
  utilisé depuis longtemps par de nombreux
  fabricants, il est petit-à-petit remplacé par des
  protocoles plus modernes INTERBUS, PROFIBUS,
  etc.

47
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
MODBUS

• Caractéristiques principales
• C est le plus ancien des réseaux d'automates non
  propriétaire, créé initialement par GOULD devenu
  APRIL. Il est utilisé par de nombreux fabricants.
• Il accepte plusieurs médiums physiques à faible
  débit RS232, RS422, RS485 (entre 50 et 19200
  Bauds), boucle de courant (4800 Bauds), liaison
  radio
• La transmission au format asynchrone 8 bits.
• Sous-couche LLC
• reconnaît deux modes
• mode ASCII
• mode RTU (Remote Terminal Unit), ou mode binaire
• Sous-couche MAC
• Fonctionnement en maître-esclave avec maître fixe

48
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
MODBUS

• La boucle de courant 0- 20 mA
• repos 20 mA
• Maître actif Esclaves passifs (maximum 8)
• repos 0 mA
• Esclaves passifs (maximum 10)

49
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
MODBUS

• Trames en mode RTU
• destination fonction PDU
  CRC16
• 8 bits 8 bits
  N octets 16
  bits
• Trames en mode ASCII
• entête destination fonction
  PDU CS délimiteur
• 2 carac. 2 carac.
  2N caractères ASCII 2 carac. CR
  LF

50
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
MODBUS

• Exemple sur l'esclave 8 lecture de 16 bits
  d'entrée à partir de l'adresse 100h.
• Mode RTU
• destination fonction PDU
  CRC16
• 08 02
  10 01 00 48 72
• Mode ASCII
• destination fonction
  PDU CS délimiteur
• 3A 30 38 30 32
  31 30 30 31 30 30 33 34 0D
  0A

51
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
MODBUS

• Fonctionnement d'un échange temps
• Maître
• commande
  diffusion commande
• Esclave
• 
  réponse
  réponse
• Ligne

52
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
MODBUS

• Principales fonctions MODBUS
• Code Fonction réalisée Paramètres
• 01 Lecture de n bits consécutifs de
  sortie Adresse 1er bit, nombre de bits
• 02 Lecture de n bits consécutifs
  d'entrée Adresse 1er bit, nombre de bits
• 03 Lecture de n registres 16 bits cons.
  Adresse 1er mot, nbre de mots
• 04 Lecture de n cartes d'entrée 16
  bits Adresse 1er mot, nbre de mots
• 09 Téléchargement , télé-lecture de
  Variable
• programme et modes de marche
• 0A Demande de compte-rendu de
  Néant
• fonctionnement
• ...

53
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
Le réseau TELWAY 7

• Caractéristiques principales
• Réseau d'automates propriétaire TELEMECANIQUE
  pour la série 7 des automates du constructeur.
• Bus sur paire torsadée, liaison synchrone de type
  caractère selon le mode BSC (Bisync) à 19200 Bps
  en modulant en amplitude une porteuse de 150 kHz.
• Les messages échangés ont une taille maximale de
  30 octets.
• Le réseau est constitué au maximum de 16 réseaux
  interconnectés de maximum 16 stations chacun.
• Sous-couche MAC
• Par passage de jeton de la station maître de
  chaque sous-réseau aux autres stations du
  sous-réseau. Le maître est la première station
  sous tension ou tiré au sort.

54
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
Le réseau TELWAY 7

• Sous-couche LLC
• Le mode BSC consiste à commencer toute trame par
  le code de synchronisation SYN (06) transmis deux
  fois.
• Si la valeur 06 doit être utilisée dans une
  trame, elle est précédée du code de transparence
  DLE (16), si la valeur 16 doit être transmise,
  elle est transmise deux fois.
• Le protocole prévoit la transmission périodique
  et systématique de "mots communs" entre les
  automates d'un même sous-réseau.
• Chaque station peut à volonté transmettre un
  message à une autre station en précisant le
  numéro de la station et celui du sous-réseau.
• Il est possible d'émettre les mots communs et un
  message dans la même trame.

55
Les réseaux industrielsLes réseaux d automates
Le réseau TELWAY 7

• Structure des principales trames
• Trame de polling SYN, SYN, 00h, 70h, DES, CS
• 00h champ "longueur", 70h champ "commande",
  CS somme de contrôle
• Trame d'émission de mots communs
• SYN, SYN, 08h, 00h, SOU, mots communs, CS
• Trame d'émission d'un message
• SYN, SYN, LONG, 0F0h, SOU, RSOU, DES, RDES,
  message, CS
• Interrogation d'une station non connectée
• SYN, SYN, 01h, 80h, table des stations connectées
  (16 bits), CS
• SOU station source
• RSOU réseau source
• DES station destinataire
• RDES réseau destination

56
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs

• Concepts
• Destinés à connecter des capteurs et actionneurs
  intelligents à un système de traitement embarqué
  (ordinateur de bord, ordinateur de voiture, etc.)
• Un capteur "intelligent" est un élément petit et
  compact, capable de mesurer une grandeur physique
  ou détecter l'état de contacts, de traiter
  éventuellement les données résultantes, et
  transmettre les informations recueillies à
  travers un réseau local.
• Les réseaux de capteurs sont toujours locaux, la
  dimension d'un réseau typique est quelques
  mètres.
• Exemples
• réseau domotique,
• réseau pour véhicule automobile,
• réseau de CI (bus I2C), ...

57
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• Principe
• Utilisé en environnement industriel.
• Réseau promu par INTEL, basé sur une variante du
  microcontrôleur 8051.
• Le contrôleur peut former un capteur/actionneur
  intelligent monocomposant.
• Chaque contrôleur dispose d'une liaison rapide
  aux normes HDLC.
• Les contrôleurs tournent sous le noyau temps réel
  IDCX51 basé sur la transmission de message et
  disposant d'une tâche 0 préécrite la tâche RAC
  (remote access control) permettant de faire
  transiter les messages d'un contrôleur à l'autre.
• L'ensemble des contrôleurs et du noyau réparti
  constituent une machine virtuelle, l'élément
  maître étant en général placé dans un PC.

58
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• La couche physique
• le médium est un bus utilisant une paire torsadée
  de 120 Ohm. Les tensions électriques sont au
  standard RS485. Le médium peut être segmenté et
  chaque segment peut comporter jusqu'à 28 nuds
  (stations) avec un maximum total de 250 stations
  (adresses 01-0FAh).
• Il existe deux modes de transmission de données
• Le mode synchrone
• Ce mode nécessite deux paires torsadées, une pour
  les données et une pour les horloges.
• Le débit est choisi entre 500 kbps et 2.4Mbps,
  longueur maximale du médium 30 m.
• La transmission utilise le protocole NRZ.
• Le mode autosynchronisé
• Ce mode se contente d'une seule paire torsadée,
  l horloge étant extraite des données.
• Le débit est choisi entre 62 kbps et 375kbps,
  longueur du médium 300 m à 1.2 km.
• La transmission utilise le protocole NRZI avec
  insertion automatique de zéro.

59
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• La sous-couche MAC
• Protocole maître/esclave sans collision (le
  maître est en général dans un PC).
• La sous-couche LLC
• Utilise le protocole synchrone orienté bit HDLC
• Fanion Adresse Contrôle
  PDU niveau 2 CRC16
  Fanion
• 01111110 01h-FAh LAP message
  IDCX51 V41 01111110
• Le protocole associé est le protocole LAP (Link
  Access Protocol) en mode normal, c'est à dire ni
  asynchrone ni équilibré. Ceci signifie que chaque
  trame de commande vient du maître qui doit
  systématiquement recevoir une réponse de
  l'esclave. La notion de fenêtre de LAP n'est pas
  exploitée.

60
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• La sous-couche LLC
• Chaque nud (contrôleur) est en mode
  RESET
• NDM (normal disconnect mode) ou
• NRM (normal response mode)
• La numérotation modulation 8 sert à contrôler
  qu'il n'y a pas de perte de trame.

NDM
erreur protocole ou contrôle autre que RR ou
RNR ou I
SNRM
NRM
61
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• La couche application fonctionnement du noyau

T7
T7
T7
message interne
T2
T2
T2
T1
T1
T1
message externe
RAC
RAC
RAC
62
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• La couche application structure d'un message
• OCTET bit 7 bit 0
• 0 longueur MT 0 commande
• 1 MT SE DE 0 0 0 0
  0 1 réponse
• 2 adresse nud SE 0 -gt source
  sur nud
• 3 tâche source tâche
  destination autonome
• 4 commande/réponse SE
  1 -gt source sur nud
• 6 d'extension
• . données DE 0 -gt dest. sur nud
• . éventuelles autonome
• n DE 1 -gt dest. sur nud
• d'extension

63
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau BITBUS

• La couche application quelques commandes
• RESET_STATION 00h réinitialisation du nud
  désigné
• CREATE_TASK 01h création d'une tâche
• donnée(0) adresse IDT haute
• donnée(1) adresse IDT basse
• READ_I/O 05h lecture de ports d'entrée/sortie
• donnée(0) adresse du port
• donnée(1) réservé pour les données du port
• DOWNLOAD_CODE 12h téléchargement d'un programme
• donnée(0) adresse haute
• donnée(1) adresse basse
• donnée(2..x) donnée écrite

64
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN

• Historique
• Réseau créé initialement par BOSH en 1983. Il est
  devenu petit à petit un standard de communication
  et a fait disparaître de nombreux autres réseaux
  concurrents.
• Domaine d'utilisation
• Utilisé en automobile et en domotique (variante
  BATIBUS).
• Environ 150 millions de stations sont produites
  chaque année.
• Principes généraux
• Utilise le principe des objets plutôt que des
  adresses (maximum 2032 objets avec la version
  CAN2.0A pour un maximum de 32 stations par
  segment).
• Performances
• Transmission de 0 à 8 octets par trame à une
  vitesse de 5 kbps à 1.6 Mbps.

65
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN, couche physique

• Types de médium
• Trois types de médium peuvent être utilisés,
  filaire (variante de RS485), infrarouge et radio.
  Le médium filaire est de loin le plus courant.
• Les niveaux logiques
• Deux niveaux logiques sont reconnus dominant
  (0) et récessif (1).
• L'émission simultanée de plusieurs niveaux
  différents (collision) génère un niveau dominant.
• Codage du signal
• Transmission des données en mode NRZ,
• Insertion automatique des bits un 1 est ajouté
  tous les cinq 0 successifs et un 0 tous les cinq
  1 successifs.

66
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN, médium filaire

• Les deux variantes
• Le médium est une paire torsadée à 120 Ohm
  blindée ou non selon le contexte, la longueur
  maximale est liée au débit retenu
• Low speed (ISO 11519-2) débit 5-125 kbps,
  longueur de segment 10 km - 130 m
• High speed (ISO 11898) débit 250 kbps-1.6 Mbps,
  longueur maximum 270-10 m
• Les tensions
• la transmission se fait en mode différentiel
  (variante de RS485) supportant les collisions
  (niveau dominant vainqueur).
• Niveau récessif tension différentielle
  inférieure à 0.5 V
• Niveau dominant tension différentielle comprise
  entre 0.9 et 2.0 V

67
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN, la sous-couche MAC

• L'accès via CSMA/CA (Collision Avoidance)
• Le principe retenu par le protocole CAN est
  l'accès aléatoire avec évitement de collision.
• Un mécanisme de délai aléatoire ajouté à une
  priorité permet d'éliminer le plus souvent les
  collisions.
• Une trame débute par un bit dominant SOF. La
  première station qui émet ce bit gagne le droit
  au médium.
• Pour gérer le risque d'émissions simultanées,
  chaque trame continue par un numéro d'objet
  composé de 11 bits (CAN2.0A) ou 29 bits
  (CAN2.0B). La trame avec numéro d'objet ayant le
  plus tôt un bit dominant (valeur la plus forte)
  gagne le conflit et continue l'émission (les
  autres cessent).
• Les stations ayant perdu un conflit tirent par la
  suite un temps aléatoire plus court.

68
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN, la sous-couche MAC

• Exemple, analyse du champ d'arbitrage
• récessif
• 1 un abandonne
• dominant
• n de bit d'arbitrage 0 1 2 3 4 5 6 7 8
  9 10
• 2 deux gagne et continue
• 3 trois abandonne
• S
• O
• F

69
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN, la sous-couche LLC

• La trame CAN comporte 7 champs successifs
  définis en bits
• Champ d'arbitrage (12 bits pour CAN2.0A et 30
  bits pour CAN2.0B),
• Champ de commande 7 bits définissant la
  longueur et le type de paquet
• bit RTR (Remote Transmission Request), récessif
  pour une requête
• bit IDE dominant pour CAN2.0A et récessif pour
  CAN2.0B
• bit r0 toujours dominant
• bits DLC 3-0 définissent la longueur des
  données qui suivent
• Champ de données 0 à 8 octets de données
• Champ de CRC CRC sur 16 bits dont le dernier
  est toujours récessif
• Champ d'acquittement sur 2 bits, ils sont
  récessifs à l'émission, mais acquittés
  immédiatement par un bit dominant si le
  destinataire reconnaît la trame
• Champ EOF (End Of Frame) sept bits récessifs
• Intermission attente minimale entre 2 trames de
  3 bits (sauf pour une requête)

70
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau CAN, la couche application

• Les applications
• du fait du mode d'accès au médium aléatoire, les
  applications peuvent être spécifiques et
  s'ignorer tout en partageant le médium.
• Trois protocoles standards au niveau mondial ont
  néanmoins été développés.
• Les protocoles de couche 7 normalisés
• Permettent la communication entre systèmes de
  marques différentes grâce à un langage commun de
  haut niveau (standards partagés par environ 280
  fabricants).
• DeviceNet développé conjointement par Rockwell et
  Allen-Bradley en 1994
• SDS (Smart Distributed System) défini par
  Honeywell en 1994
• CANopen développé en 1995 pour les réseaux
  d'automates

71
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau WorldFip, généralités

• Historique
• Le réseau WorldFIP, norme IEC1158-2 est une
  extension de FIP (pour Factory Instrumentation
  Protocol) qui a été créé initialement par des
  universitaires français de Nancy au début des
  années 1990.
• Domaine d'utilisation
• Réseau de bas niveau destiné à connecter de façon
  économique des capteurs et actionneurs à un
  système de contrôle-commande (ordinateur
  industriel).
• Principes généraux
• Accepte plusieurs types de médiums dont la paire
  torsadée blindée et la fibre optique pour les
  environnements très hostiles et les longues
  distances (lt 40 km).
• Réseau type producteur-consommateurs (variante de
  maître-esclave), géré par un arbitre de bus
  susceptible d'acheminer les données à un niveau
  plus élevé.

72
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau WorldFIP, couche physique

• Types de médium
• Deux types de médium peuvent être utilisés,
• filaire au standard RS485 avec des débits
  possibles de 31.25 kbps (en transmission
  asynchrone), 50 kbps, 1 Mbps (vitesse standard)
  et 2.5 Mbps,
• fibre optique avec un débit pouvant atteindre 6
  Mbps.
• Codage du signal
• Transmission des données en mode Manchester
  différentiel,
• Les données sont organisées en octets au format
  série synchrone.
• Architecture du réseau
• Bus pouvant être segmenté par des répéteurs
  trois répéteurs maximum sont autorisés entre un
  consommateur et l'arbitre de bus.

73
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau WorldFIP, la sous-couche MAC

• L'accès via le protocole producteur-consommateurs
• Les échanges sont traités par un arbitre de bus
  qui donne le droit de parole à chaque
  consommateur de façon cyclique.
• Lorsqu'un consommateur a le droit de parole, il
  émet un paquet contenant les données d'un objet
  bien précis inventorié et autorisé par le maître.
• L'objet peut être destiné à n'importe quel autre
  consommateur, voire plusieurs.
• Lors de l'intégration d'un consommateur au
  réseau, ce dernier spécifie à l'arbitre de bus
  les objets qu'il aura à transmettre, la taille de
  chaque objet et la périodicité avec laquelle
  ceux-ci doivent être émis.
• L'arbitre de bus gère le droit de parole en
  fonction des contrats demandés par chaque
  consommateur afin de garantir les délais et
  périodicités imposés.

74
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau WorldFIP, la sous-couche MAC

• Gestion des périodes d'accès
• Les échanges périodiques sont prioritaires, mais
  des fenêtres de temps sont prévues pour d'autres
  types d'échanges

Fenêtre d'échanges cycliques CYC Fenêtre de
demande d'échanges apériodiques Request Fenêtre
d'autorisation d'échanges apériodiques Message Fen
être de synchronisation
75
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau WorldFIP, la sous-couche LLC

• Structure d'un échange de niveau 2

• ID_DAT autorisation d'émettre

• FSS frame start sequence préambule de
  synchronisation
• C control byte octet définissant le
  type de télégramme
• ID identifier identification de l'objet
  désigné
• FCS Frame check sequence CRC 16 bits
• FES Frame end sequence bits d'égalisation
  de désignation de fin

FSS C ID FCS
FES
14 bits 8 bits 16 bits 16 bits
7 bits

• RP_DAT réponse

FSS C ID FCS
FES
14 bits 8 bits n octets 16 bits
7 bits n lt 128
76
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau WorldFIP, la pile de protocole
Couche 7 FULLFIP Couche 2 FIPIU Couche 1
(indépendante du médium) FIPART Couche 1
(spécifique du médium)
77
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau ASI, généralités

• Historique
• Le réseau ASI (pour Actor Sensor Interface) a été
  créé initialement par un consortium allemand en
  fin 1993 en tant que standard ouvert. La
  proposition de norme a été soumise à l'IEC
  après avalisation elle sera proposée à l'ISO.
• Domaine d'utilisation
• Réseau de très bas niveau destiné à connecter de
  façon très économique des capteurs et actionneurs
  tout-ou-rien à un système de contrôle-commande
  (API ou ordinateur industriel).
• Principes généraux
• Utilise un câble plat à deux conducteurs pour
  l'alimentation et la transmission des données aux
  capteurs. Réseau type maître-esclave sans
  processeur dans les esclaves et utilisant un
  débit faible (166 kbps brut, et environ 30 kbps
  net).

78
Les réseaux industrielsLes réseaux de capteurs
Le réseau ASI, couche physique

• Médium
• Câble plat à deux conducteurs qui sert
  simultanément à l'alimentation de l'équipement et
  la transmission des données. Connexion type
  "Vampire".
• Codage du signal
• Première modulation de type Manchester suivie
  d'une modulation à impulsions différentielles
  (impulsions de 2V ajoutées à la tension
  d'alimentation).

1
Donnée binaire Modulation Manchester Tension
sur le médium
0
0
0
1
1