Modbus RTU

UE4 : Réseaux Locaux
Industriels & Bus de terrain
LP AIINicolas Néanne30/09/2014Réseaux Locaux Réseaux Locaux
Industriels Industriels
& Bus de Terrain& Bus de Terrainneanne@univ-tln.fr
UE4 : Réseaux Locaux
Industriels & Bus de terrain
LP AIINicolas Néanne30/09/2014Plan du Cours :
1 / Introduction aux RLI -
2 / Asi : Actuator Sensor interface
3 / Modbus (RTU & TCP)
4 / ProfiBUS / ProfiNET
5 / CANopen
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII3LP AII Sp. ICRUE4
Ch 1 : Introduction aux RLI1 / Place des RLI dans l'industrie
a - Définitions
b - Les différents niveaux de communication
c - Quelques Protocoles Standards
d - Intérêts des RLI
2 / Contraintes "temps réel"
3 / Modèle de Référence des RLI
a - Rappel : Modèle OSI
b - Adaptation au cas des RLI
4 / Critères de Comparaison
5 / Compétences liées aux RLI
6 / Conclusion / Perspectives
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII4LP AII Sp. ICRUE4
1- Place des RLI dans l'industrie
a - Définitions
•TERRAIN = zone limitée géographiquement (Usine,
Atelier, Voiture...)
•BUS = Ensemble des fils utilisés pour l 'échange de
données entre différents circuits électroniques
•RESEAU = Ensemble de lignes de communications qui
desservent une même unité géographique
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII5LP AII Sp. ICRUE4
M
V● Bus de terrain = Systeme de Communication Numérique,
reliant différents types d 'équipements d 'automatismes.
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII6LP AII Sp. ICRUE4
● Réseau Local Industriel = Réseau Informatique de type
LAN, dont la topologie, les performances et la robustesse sont
adaptées aux contraintes industrielles :
✔ Electromagnétiques → Robustesse du support de
transmission et/ou des signaux électriques mis en jeu vis à vis
des perturbations électromagnétiques (Couche 1 du modèle
OSI)
✔ Physiques (poussières, chocs, températures, atmosphères
explosives, vibrations) → Robustesse du support de
transmission (Couche 1 du modèle OSI)
✔ Temporelles → Modes d'accès au médium favorisant des
temps de réponse déterministes (Couche 2 du modèle OSI)
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII7LP AII Sp. ICRUE4
TERRAINCELLULEATELIER
MACHINEGestion, administration, organisation
Gestion de production
Supervision
Synchronisation
Acquisition / ActionUSINEb - Les Différents Niveaux de Communication
Réseaux
informatiques
Réseaux
Locaux
Industriels
Bus de
terrain
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII8LP AII Sp. ICRUE4
c - Quelques Protocoles Standards :
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII9LP AII Sp. ICRUE4
TCP / IP
PROFIBUS-PA
MODBUS
DeviceNet
CAN OpenPROFIBUS-DP
AS-iTERRAINMACHINECELLULEATELIERUSINEE
T
H
E
R
N
E
TModbus TCP
ProfiNET
EtherNET/IP
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII10LP AII Sp. ICRUE4
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII11LP AII Sp. ICRUE4
✔ INTEROPERABILITE : plusieurs systèmes, identiques ou radicalement
différents, peuvent communiquer
✔ REPARTITION de l'INTELLIGENCE : L'algorithme est éclaté à travers
les différents équipements communicants de l'automatisme : il s'en suit une
fiabilité est des performances accrues. (processeurs " moins surchargés »)d - Intérêts des RLI & BT
✔ DISTRIBUTION des Informations :
➢ Remontée des informations vers la supervision, Traitement des
alarmes centralisé...
➢ Mise à jour des programmes, firmwares depuis un poste
centrale ou via internet
➢ Télécontrôle, Télémaintenance etc...
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII12LP AII Sp. ICRUE4
✔ PRODUCTIVITE ACCRUE : Grâce aux gains de performances de
l'automatisation
✔ REDUCTION DES COUTS DE MAINTENANCE et des DUREES
d'ARRÊT de PRODUCTION : Grâce aux outils de maintenance
développés sur les réseau, la localisation des dysfonctionnements devient
plus aisée.
✔ REDUCTION des COUTS de CABLAGE : Les bus de terrain de bas
niveau permettent le raccord des capteurs & actionneurs du système sur
un bus → Dépenses moindres en câblage et temps d'installation réduit.➢Technologiques :
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII13LP AII Sp. ICRUE4
2- Contraintes "temps réel"
Les différents niveaux de communication entre les composants d'un
système automatisé impliquent des contraintes temporelles
différentes, mais d'une façon générale plus sévères que pour un réseau
informatique "tertiaire".
Le diagramme suivant nous montre que les contraintes de temps sont
d'autant plus critiques que l'on se rapproche du niveau " terrain » de
la pyramide.
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII14LP AII Sp. ICRUE4
Niveau actionneurs / capteursFaible volume de données,avec de nombreux appareils
connectés et une exigence
de temps réelNiveau terrain et processusContrôle des procédés, réseaux de terrain, API, Interface Homme-
Machine, commande numériqueNiveau supervisionConduite et surveillance de procédé
Gestion de production
Gestion d'entreprise (Planification des
Ressources)
AS-i Safety at workSAFETY AT WORK
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII15LP AII Sp. ICRUE4
FONCTIONS
GESTION
ENTREPRISE
AUTOMATISATIONCOMMANDE
CENTRALISEE
SUPERVISIONCONTRÔLE
PRODUCTION
DONNEESCALCULATEURS
MICRO-
ORDINATEUR
API
CONTROLEURS
REGULATEURS
CAPTEURS
ACTIONNEURSFICHIERS
TABLEAUX
MESSAGES
MOTS
BITSSYSTEMESINFORMATIONS
TRAITEMENT
DE DONNEES
TRAITEMENT
DE DONNEES
EN TEMPS
REEL
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII16LP AII Sp. ICRUE4
3- Modèle de Référence des RLI
a - Rappel : Modèle OSI :
Couches hautes :
Traitement des
informations relatives
à la gestion des
informations entres
les systèmes
informatiques
Couches basses :
Gestion des
échanges entre les
entités concernées +
spécifications
physiquesAPPLICATION7
6
5
4
3
2
1PRESENTATION
SESSION
TRANSPORT
RESEAU
LIAISON
PHYSIQUEInterface avec l 'application
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
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII17LP AII Sp. ICRUE4
b - Adaptation au cas des RLI :
Le modèle OSI gère les grands réseaux à commutation de paquets. Le
temps n'a pas été pris en compte.
Pour les réseaux locaux, la notion de temps réel est un point très
important.
La couche physique est indispensable à la communication. La couche
liaison de données aussi pour l'accès au média et la détection des
erreurs.
Les couches réseaux et transport ont été définies pour gérer les
problèmes des paquets qui transitent par des stations intermédiaires :
elles n'ont plus lieu d'être pour les RLI car toutes les stations sont
interconnectées.
La couche session permet l'échange d'une grande quantité d'information,
ce qui n'est pas le cas pour les RLI.
La couche présentation peut être figée et non dynamique ce qui la rend
transparente.
La couche application reste évidemment nécessaire.
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII18LP AII Sp. ICRUE4
APPLICATION7
6
5
4
3
2
1LIAISON
PHYSIQUELe bus de Terrain est donc basé sur une restriction du modèle I.S.O. à
3 couches :
M.A.C : Medium Access Control →
accès au réseau/bus, adressageL.L.C : Logical Link Control →
détection des erreurs, mise en
trameLa couche 2 est subdivisée en 2 sous-
couches :
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII19LP AII Sp. ICRUE4
4- Critères de Comparaison
4.1. Topologiques
➢ Longueur maximale : Longueur maxi du réseau en fonction du nombre de
répéteurs et du type de médium utilisé.
➢ Topologie : Architecture physique et implantation des noeuds connectés au
réseau, structure de câblage de toutes les stations.
4.2. Temporels
➢ Vitesse de transmission : Vitesse de transmission physique maximale possible
pour le réseau. Différente du débit réel dépendant de l'efficacité du protocole.
➢ Temps de réaction maximal : Délai maximal possible qui peut survenir lors de
l'envoi d'informations.
Ce temps dépend du temps de cycle, du nombre d'abonnés, de la longueur du
réseau, du médium et de la vitesse physique de transmission.
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII20LP AII Sp. ICRUE4
4.3. Nombre maximum d'équipements :
Nombre d'équipements qui peuvent être connectés au réseau. Il dépend en
partie du nombre de répéteurs utilisés.
4.4. Efficacité du protocole :

avec : LU= Longueur des données Utiles
LT= Longueur Totale du message (données utiles + bits de trame)
4.5. Mécanismes de détection/correction d'erreur :
Mécanisme de détection d'erreurs (parité, CRC...) : Efficacité, taux de
correction...
4.6. Disponibilté des composants & perspectives d'avenir.Eff=100⋅LU
LT
1- Introduction aux RLI
IUT de Toulon - GEII21LP AII Sp. ICRUE4
5- Compétences liées aux RLI
a - ... de l'informaticien :➔Concevoir des programmes d'interfaçage entre un PC (Liaison série, ethernet) et
un équipement communicant selon un protocole industriel.
b - du point de vue du concepteur de SE :
➔Adapter les caractéristiques électroniques de la carte à celles des signaux
véhiculés par le bus de terrain (couche physique : niveaux des signaux,
connectique etc...)
➔Gestion logicielle du protocole (couche liaison + application)
c - du point de vue de l'automaticien :
➔Choisir un protocole de communication en fonction des contraintes imposées par
le système automatisé.
➔Paramétrer des équipements communicants.
➔Gérer les bus et réseaux de terrain dans le programme de l'API.
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII22LP AII UE4
Ch 2 : Bus de Terrain ASi : Actuator
Sensor interface
1 / Présentation
a - Un bus de niveau 0
b - Historique
c - Modèle OSI
2 / Couche Physique
a - Le câble ASi
b - Topologies
c - Signaux électriques
&Alimentation du bus
3 / Couche Liaison
a - Système "maître-esclave"
b - Polling des esclaves
c - Mise en trame4 / Couche Application
a - Catalogue des Requêtes
b - Catalogue des Réponses
c - Exemples de composants
d - Profils ASi
e - Plan mémoire du coupleur
5 / Evolutions
a - Asi v2,0 - v3,0
b - ASi-safe
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII23LP AII UE4
1- Présentation du bus Asi :
a / Un Bus de niveau 0 :
Asi est un bus présent au
Niveau 0 de la pyramide CIM,
c'est à dire qu'il est chargé
de faire communiquer entre
Eux des noeuds à intelligence
Limitée ou nulle (ex : capteurs
TOR).
La taille des informations est
Réduite au maximum (bits)
En revanche, celles-ci doivent
Être transmises avec certitude
Dans des délais très courts
(qq ms).
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII24LP AII UE4
... simplicité :
•transmission données et puissance sur 2 fils non blindés, non
torsadés.
... flexiblilité :
•topologie libre et évolutive.
... sûreté :
•Concept de transmission robuste et efficace.
... standardisation :
•standardisation électrique ; existence de "profils" (interchangeabilité)
●Composant unique pour tous les constructeurs.➔ Points clés :
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII25LP AII UE4
E/S
E/SAPIMaître
AS-InterfaceAPI➔ Comparaison Câblage traditionnel / Câblage Asi :
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII26LP AII UE4
✔ Jusqu'à 31 esclaves (62 en version v2.0), pouvant comporter
chacun jusqu'à 4 capteurs/actionneurs peuvent être raccordés à 1
seul maître (soit jusqu'à 496 E/S TOR par maître ASi)
✔ Temps de réponse déterministe : 5 ms (10 ms en v2.0)
maximum
✔ Débit : environ 170 kB/s
✔ Longueur maximum du bus 100m (300m avec répéteurs)➔ Critères de Comparaison :
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII27LP AII UE4
b / Historique :
✔ Création en 1990 par un consortium de fabricants (Schneider Siemens...)
de capteurs/actionneurs.
✔ Adopté par plus de 60 fabricants.
✔ Une large gamme de produits (E/S déportées, composants de distribution
électrique BT, distributeurs pneumatiques, composants de sécurité etc...).

2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII28LP AII UE4
c / Modèle OSI :
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII29LP AII UE4
Technologie prise vampire :
connexion rapide et aisée des
capteurs/actionneurs ou modules
câble plat codé mécaniquement
deux fils pour les données et la puissance
Gaine isolante IP67 autocicatrisante
inutile de dénuder pour raccorder
un nouveau composant sur le bus

montage dans toutes les positionsa / Le Câble ASi :2- Couche Physique :
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII30LP AII UE4
Maître
Topologie étoileMaître
Topologie arborescenteMaître
Topologie anneauLe câblage peut suivre toutes les topologies.
Pas de contrainte à l'installation ou lors des évolutions
!AlimAlimAlimb / Topologies supportées :
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII31LP AII UE4
•Transmission par courants porteurs :
Un seul câble pour alimenter les capteurs & actionneurs (jusqu'à 8A) connectés au bus, et le transfert des données.
•Alimentation en mode différentiel (TBTS):
Bonne immunité aux perturbations (CEI 1000-4).
Redressement
=PrimaireL
L
RV+Découplage
AS-i+
AS-i-30 V=
V-R
Codage Manchester par courant porteurAS
tU alim
30VAlim. + transfert
des donnéesc / Alimentation et Signaux électriques sur le bus:
2 - Asi : Actuator Sensor Interface
IUT de Toulon - GEII32LP AII UE4
Codage des trames :
•Traitement par codage efficaces (MII, NRZ, APM et sin²).
•Forte redondance intrinsèque des signaux.
VASI+- - VASI-U alim +2v
U alim -2VM II : Manchester II
NRZ : No return to zero
APM: Alternate pulse modulation
30V (Alim)•transmissiondifférentielle → Bonne immunité aux perturbations
•MII + NRZ → Intégrité des données garantie.
•Filtrage sin2 → Faible rayonnement