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Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20061
Réseaux de T
errain:
Concepts, E
tat du Marché, N
ormes,
Principes et F
onctionnement
Ecole de P
rintemps
IUT
Génie E
lectrique & Inform
atique IndustrielleR
éseaux de terrain et Ethernet Industriel
Eddy B
AJIC
IUT
Nancy B
rabois
eddy.bajic@iutnb.uhp-nancy.fr
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20062
Som
maire
•E
volution des Autom
atismes
•C
omparatif C
âblage classique / Réseau
•R
éseaux de Terrain et M
odèle OS
I
•P
yramide C
IM et C
lassification des Réseaux de T
errain
•M
archédes R
éseaux de Terrain
•N
ormalisation
•S
tandards de Câblage : T
éléAlim
entation et Sécurité
Intrinsèque
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20063
Pa
rtie O
pé
rative
(Te
rrain
)
E/S
UC
E/S
UC
T
cap
teu
rm
ote
ur
tran
sme
tteu
ra
ction
ne
ur
M
Evolution des S
tructures de Contrôle / C
omm
ande des A
utomatism
esP
rogramm
és
Autom
atismes Indépendants
•G
estion indépendante des UC
•C
ontrôle centralisé(C
oordination par E/S
)
•D
istance de Câblage E
/S
Q
uelques kilomètres
< 1980
Evolution des A
utomatism
es (<1980)
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20064
Evolution des S
tructures de Contrôle / C
omm
ande des A
utomatism
esP
rogramm
és
Partie O
pérative (Terrain)
T
capteurm
oteurtransm
etteuractionneur
M
E/S
UC
NETE
/SU
C
NET
Postes de
Contrôle/
Com
mande
•G
estion Coordonnée des U
C
•C
ontrôle Distribué
•D
istance de Câblage E
/S
Q
uelques dizaines de mètres
Autom
atismes en R
éseau1985
R
éseau «d
’Autom
ates»
R
éseau «d
’Atelier
»
Evolution des A
utomatism
es (>1985)
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20065
Evolution des S
tructures de Contrôle / C
omm
ande des A
utomatism
esP
rogramm
és
Partie O
pérative (Terrain)
T
capteurm
oteurtransm
etteuractionneur
M
Postes de
Contrôle/
Com
mande
E/S
UC
NETUC
NET
E/S
UC
E/S
Autom
atismes H
iérarchisés
•G
estion Coordonnée des U
C
•C
ontrôle Distribué
•D
istance de Câblage E
/S
quelques m
ètres
1993
R
éseau d'Entrées / S
orties Déportées
Evolution des A
utomatism
es (>1993)
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20066
Autom
atismes R
épartis et Distribués en réseau
•G
estion Hiérarchisée de la com
mande
•C
ontrôle Distribué
•Les C
apteurs Actionneurs sont
directement sur le R
éseau
D
istance de Câblage analogique E
/S
0P
artie Opérative (T
errain)
T
capteurm
oteurtransm
etteuractionneur
M
Postes de
Contrôle/
Com
mande
UC
NETUC
NET
UC
E/S
1996
R
éseau de Capteurs A
ctionneurs
Evolution des A
utomatism
es (>1996)
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20067
•R
éduction du câblage
•D
istribution de la comm
ande sur le réseau
•C
onnexion des Capteurs A
ctionneurs au plus près du Réseau
•C
omm
unication numérique / com
munication analogique
Du cablâge A
nalogique au Câblage num
érique
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20068
Hétérogénéité des équipem
ents
OU
VE
RT
UR
E / N
ON
PR
OP
RIE
TA
IRE
IN
TE
RO
PE
RA
BILIT
E
IN
TE
RC
HA
NG
EA
BILIT
E
Environnem
ent «dur »
IM
MU
NIT
E aux parasites / C
ON
NE
CT
IQU
E
Rapidité de fonctionnem
ent
TE
MP
S R
EE
L / DE
TE
RM
INIS
ME
Sûreté de fonctionnem
ent
SU
RE
TE
/ RE
DO
ND
AN
CE
Interopérabilité :C
apacité d’un équipement à pouvoir réaliser des actions coordonnées
avec d’autres équipements au m
oyen de comm
unication réseau
Interchangeabilité :C
apacité d’un équipement à pouvoir rem
placer fonctionnellem
ent un autre équipement par sim
ple remplacem
ent physique sans reconfiguration ou adaptations nécessaires.
Non propriétaire :
Qualité d’un réseau à pouvoir accepter des équipem
ents provenantde différentes sources ou constructeurs.
Contraintes des C
omm
unications Industrielles
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 20069
OB
JEC
TIF
S
CO
NT
RA
INT
ES
Contraintes / O
bjectifs des Réseaux de T
errain
1.R
éduire les coûts(E
tude, Câblage, T
est et Mise,en S
ervice)2.
Am
éliorer la maintenance
(Diagnostic, D
épannage, …)
3.F
iabiliserdes Inform
ations4.
Perm
ettre le Tem
ps Réel
5.R
éseau Non P
ropriétaire6.
Interchangeabilité7.
Interopérabilité
1.T
echnicité complexité
2.T
élé-Alim
entationdes C
apteurs et Pré-A
ctionneurs3.
Surcoût
du Capteur R
éseau
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200610
Privilégier une architecture sim
plifiée
à 3 couchesV
II - Couche A
PP
LICA
TIO
N
II - Couche LIA
ISO
N
DE
DO
NN
EE
S
VI - C
ouche PR
ES
EN
TA
TIO
N
V - C
ouche SE
SS
ION
IV - C
ouche TR
AN
SP
OR
T
III - Couche R
ES
EA
U
MA
C
LLC
I - Couche P
HY
SIQ
UE
R
espect des contraintes de Tem
ps Réel :
Rapidité
N
e tenir compte que des contraintes industrielles
Réseau local privatif, E
fficacité
G
estion des couches basses sur semiconducteur
Réseaux de T
errain et Modèle O
SI
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200611
AS
IC : A
pplication Specific Integrated
Circuit
AS
-i
•soit intégré directem
ent dans le capteur ou l' actionneur ( constituant dit «A
sifié» )
•soit dans un m
odule d'E/S
Intégration des Couches B
asses sur AS
IC A
Si
L'intelligence d'AS
-i se trouve regroupée dans un AS
IC gère toutes les fonctions du capteur ou de
l'actionneur afin d'informer le réseau sur l'état de la com
munication, la disponibilité et l'état du capteur.
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200612
Circuit A
²SI™
Circuit A
²SI™
de AM
IS sem
iconductors : composant m
onolithique 28 broches
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200613
AS
IC : A
pplication Specific Integrated
Circuit
AS
IC
Protocole
SR
AM
Flash ou
EP
RO
M
RS
485Interface
16 Bits
MicroC
Dual Port RAM
PR
OF
IBU
SL
’AS
IC doit être interfacé à un m
icroprocesseur pour réaliser les fonctions d’application dem
andées (SP
C3
Siem
ens)
AS
IC P
RO
FIB
US
Vers
Microcontrôleur
Vers B
us RS
485
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200614
L'impact économ
ique principal attendu de l'utilisation de réseaux de terrain se situe, de façon consensuelle, au niveau :
•du câblage
des équipements et des entrées/sorties
•de la rapidité de m
ise en servicede l'installation.
La solution réseau de terrain fait clairem
ent apparaître des économies dans tous les postes, pour une
économie globale de près de 25 %
du coût de l'automatisation.
Com
paratif Câblage C
lassique / Réseau
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200615
Etude réalisée par F
isher-Rosem
ount, publiée dans Mesure A
vril 2001, rapporte une évaluation des coûts d'automatisation pour un grand groupe industriel
chimique. D
eux approches ont été évaluées et comparées :
•l'une correspondant à une solution dite "conventionnelle
" : câblage 4-20 mA
, protocole HA
RT
, E/S
TO
R•
l'autre correspondant à une solution bus de terrainF
iledbus Foundation
FF
-H1 à 31,25 K
Bps
Com
paratif Conventionnelle / R
éseau
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200616
Classification des R
éseaux de terrain
•M
ultitudes de Réseaux : S
tandard Nationaux, A
ssociatif, Propriétaire
•A
ppellation réseaux de terrain hasardeuse : réseau d'automates,device
bus, sensor bus, …
•P
yramide C
IM s'écrase de 5 à 3 niveaux
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200617
La revue
Terrain
a publié
en 1998,
le résultat
d'une enquête
déroulée sur
3 années
de 1996
à 1998,
effectuée auprès
de décideurs industriels du secteur de l'autom
atisme, leur dem
andant quels réseaux de terrain leurs étaient connus.C
ette enquête donne une côte de popularité des réseaux laissant présager d'une utilisation en rapport.
Popularité des R
éseaux de Terrain
Marché
Europé
en de
s E/S
D
éporté
es sur AP
I
010
2030
40
Profibus-D
P
Propriétaire
Interbus
DeviceN
et
CA
NO
pen
Autres
Autres : M
odbus2,1%, A
si 2,1 %, SSI 0,8%,
Ethern
et 0,8%, profibus-F
MS 0,2%, divers 4
,3%
Enquête IM
S R
esearch 2003 :
Revue Industrial netw
orking and Open C
ontrol 02/03
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200618
Etat du M
arché des Réseaux de T
errain
Réseau
Nœ
uds Installés
–P
rofibus+
10 Millions
–H
art10 M
illions
–A
Si
10 Millions
–Interbus
S6,5 M
illions–
Device N
et3 M
illions
–C
C Link
3 Millions
–F
ieldBus F
oundation–
CA
NO
pen
–W
orldFIP
–F
ipio/M
odbus+
•P
érennité(N
ormalisation),
•Interopérabilité
(Certification produits),
•P
erformance
(Déterm
inisme, tem
ps réel,
•E
fficacité(R
éponse adaptée aux besoins),
•D
iversitéF
ournisseurs et sources
(Fabricants, O
EM
, Fondeurs silicium
),
•Intégrateurs
(Com
pétence, stabilité)
Développem
ent du marché basé sur
:
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200619
Progression du M
arché "Bus de T
errain"
Perspective P
RO
FIB
US
20 Millions de nœ
uds installés pour 2010
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200620
Marché M
ondial des Bus de T
errain
2 1
1
3
2
1
1
3
2
1
1
3
Am
eriqueE
uropeA
sie
PR
OF
IBU
S
1 RS
485
2 IEC
61158-2
3 Hart, 4…
20 mA
DeviceN
et
FF
CC
-Link
Marché m
anufacturier
Marché process
Réseaux
Câblage
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200621
Evolution de la P
yramide C
IM
AP
I, P
C,
IHM
Niveau
Cellule
2M
ES
/ ER
P / S
CA
DA
Station de travail,
PC
Niveau
Gestion
3Inform
atique
AP
I, V
ariateurs,B
locs E/S
Niveau
Terrain
1C
ontrôle-Com
mande
HM
I / AP
I
0I/O
et Devices
11
Niveau
Capteurs
Actionneurs
Capteur,V
anne,D
étecteur
Modèle
d’architecture de
comm
unicationdans
une entreprise
(1980), basé
sur P
lusieurs niveaux
fonctionnels hiérarchisés : des fonctions de G
estion de L'entreprise jusqu'aucapteur sur une m
achine de production
Niveaux
Hiérarchiques
en pyramide (C
omputer Integrated M
anufacturing).
Les réseaux de comm
unication seront aussi classifiés selon ces N
iveaux.
Niveau
Terrain
IHM
, AP
I, PC
, V
ariateurs,B
locs E/S
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200622
Une pyram
ide CIM
à 3 Niveaux
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200623
Décem
bre 2000, le
groupe de travail du projet IE
C 61158
converge enfin vers un com
promis de norm
esur les réseaux de terrain.
Norm
alisation et Réseaux de T
errain
Digital data com
munications for
measurem
ent andcontrol -
Fieldbus
for use inindustrialcontrolsystem
s-
Part 2:P
hysicallayerspecification and
servicedefinition
Reconnaissance de 10 T
ypes de protocoles.
L'interopérabilité est seulement possible à l'intérieur d'un m
ême
type de protocole
Seule A
vancée significative : Couche P
hysique IEC
61158-2
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200624
Câblage pour les R
éseaux de Terrain
Environnem
ent bruité, Imm
unité aux parasites :
•B
us MultiP
ointsdifférentiel : R
S 485
Télé-A
limentation par le B
us :
•B
us H1 (norm
e IEC
61158-2) appelé M
BP
Manchester B
us Pow
ered
•B
us AS
-i (norme E
N 50-295)
Environnem
ent Explosif :
Limitation courant , barrière à sécurité
intrinsèque
•R
S 485 -
IS
•B
us H1 -
IS
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200625
Norm
e CE
I 61158-2 : répondre aux exigences de sécurité de la comm
unication en zone explosive
FIS
CO
: Fieldbus Intrinsic S
afety CO
ncept
Classification des zones de sécurité explosives
Zone
0 :
Une
atmosphère
dangereuse explosive
est constam
ment ou très souvent présente.
Zone
2 :
Pas
de risque
d'atmosphère
dangereuse explosive dans les conditions norm
ales de travail.
Zone 1 :
Une atm
osphère dangereuse explosive peut être présente dans les conditions norm
ales de travail.
Transm
ission en Sécurité Intrinsèque E
Exi
Hazardous
Area
Non-H
azardousA
rea
RS
485R
S 485-IS
Zone 2
Zone1
Zone 1
Zone 0
Zone 0
999$
Salle de C
ontrôle
Barrière
Sécurité
Intrinsèque
IEC
61158-2
Salle de C
ontrôle
Barrière
Sécurité
Intrinsèque
IEC
61158-2
Terrain
Am
biance E
xplosiveIE
C 61158-2
Terrain
Am
biance E
xplosiveIE
C 61158-2
Terrain
Am
biance E
xplosiveIE
C 61158-2
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200626
Anneau F
ibre Optique
RS
485
H1
H1-E
Ex
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200627
•Liaison m
ulti-points
•S
egment M
axi1200m, P
aire Torsadée
•D
ébit maxi 12 M
Bps
.
•S
ignal tension différentielle
•G
rande imm
unité aux parasites
Em
etteur Différentiel
TX
TX
+
TX
-
Enable
Récepteur D
ifférentiel
RX
RX
+
RX
-
Les signaux différentiels RS
485 sont gérés par des circuits spécialisés dits "Drivers R
S485
»
SN 75176
Caractéristiques :
La Liaison RS
485
+5V
-5V
-0,2V
0 +0,2V
'1'
'0'
Etat Logique
Indéter
miné
Tensio
n Diffé
rentielle T
X+/TX- ou RX+/RX-
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200628
Le Bus R
S 485
390 ΩΩΩ Ω
390 ΩΩΩ Ω
120 ΩΩΩ Ω0 V
+ 5 V
Rp
Rp
Rc
STATION 1
Tx
Rx
STATION 2
Tx
Rx
STATION N
Rc
TX+ / RX+ (DB)
TX-/ RX-(DA)
La longueur peut être étendue par répéteurs
Débits
(KB
ps)
LongueurS
egment
(km)
9,693.75
187.75500
150012000
1,2
10.2
0.4
0.1
19.2
Câblage
Sim
ple
Identique pour chaque station
Relation D
ébit / D
istance
Paire T
orsadée
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200629
Quand un signal circule sur un câble et rencontre une discontinuité en fin de ligne, il se produit une réflexion de signal
. Une
signal réfléchi circule en sens opposé, se superpose et produit une perturbation, un bruit qui provoque une distorsion de la ligne.
Train d
’impulsion de 1 V
P
ériode : 2 m
sD
urée : 0,1 µ
s
120 Ω120Ω
Résistances de charge
Adaptation de F
in de Ligne de transmission
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200630
Le Bus H
1 : IEC
61158-2
•T
erminateur de B
us de type RC
(R=
110 Ω, C
= 1µ
F), nécessité par
la transmission de puissance sur
le bus.
•exploités en am
biances explosives(E
Exi). (exigences des
industries chimiques, pétrochim
iques et pharmaceutiques)
•D
ébit 31,25 KB
ps, Transm
ission synchrone
•transm
ission sur
courant porteur
9 –
32 V
dc.
(Signal num
érique et puissance sur mêm
e câble + O
range / -
Bleu)
IEC
61158-2, Digital data com
munications for
measurem
ent andcontrol -
Fieldbus
for use inindustrialcontrolsystem
s-
Part 2:P
hysicallayerspecification and
servicedefinition
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200631
Transm
ission par Variation de C
harge
Chaque nœ
ud réseau tire son alimentation nom
inale du bus (9V M
in) +
un courant de 10m
A "gaspillé" par une charge interne variable 50
Ohm
s.
Quand
le nœ
ud veut
transmettre ‘0’, il tire 10m
A
supplémentaire
par une
charge supplém
entaire de
50 O
hms
(signal de
ligne descend).
Tension
nominale
d' alim
entation du noeud
Quand
un nœ
ud veut
transmettre ‘1’, il coupe les
deux charges
de 10m
A
(signal de ligne remonte).
Signal B
us
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200632
Longueur M
axi 1900 m
M
ax 32
nœuds
dépend de
leur consom
mation de courant, du type de
câble, de
l’usage
de répéteur
(+
4 répéteurs m
aximum
)
T
erminateur
(RC
) à chaque extrémité
P
aire torsadée blindéeA
WG
18
Topologie R
éseau H1 : IE
C 61158-2
Topologie classique bus
ou Arborescent
avec boîtier de dérivation
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200633
Etude de C
âblage H1
Validation de dim
ensionnement d'un réseau H
1 par étude de consomm
ation de courant (T
éléalimentation
des Nœ
uds, Résistance câble, …
)
Eddy B
AJIC
, IUT
Nancy B
raboisE
cole de Printem
ps GE
II Réseaux M
ars 200634
Un télégram
me IE
C 61158-2 est encadré par 3 caractères spéciaux :
0,75 à 1 V C
àC
9 V à 32 V Signal du B
us
temps
Préam
buleD
élimiteur début
Délim
iteur finT
élégramm
e
Form
at Tram
e IEC
61158-2
préambule
(AA
H), pour synchroniser l'horloge du récepteur
délimiteur de début
sur 8 bits
délimiteur de fin
sur 8 bits
M
ode Synchrone
Codage M
anchester
D
ébit 31, 25 KB
ps (Tem
ps Bit = 32
µµµ µs)
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