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Protocole de communication industriel

Dans l’automatisme, nous rencontrons de nombreux protocoles de communication, ceci permettant aux divers équipements industriels de communiquer ensemble. Communiquer, c’est bien. Se comprendre entre équipements, c’est mieux.

Un protocole de communication est un ensemble de règles qui régissent une communication entre un ou plusieurs équipements/services. Et en automatisme, il en existe beaucoup de différents ; propriétaires, open sources, dédiés à une implication. Nous avons vu dans le chapitre précédent les architectures des systèmes automatisés, nous allons maintenant expliquer les liens de ces architectures. Chaque niveau de l’architecture ayant ces propres protocoles de communication.

Cette communication doit aujourd’hui prendre un format vraiment universel et s’étendre à la fois au cœur de la machine et vers les couches supérieures (de la supervision jusqu’au concept élargi d’Industrie 4.0). Les bus de communication (protocoles) à travers leurs différents supports physiques (réseaux) doivent donc s’harmoniser.

Bus de terrain et protocole de communication industriel

Le bus de terrain est un terme générique qui désigne un type de réseau de communications numériques qui remplacer les transmissions analogiques (pour réduire le nombre de connexions). Un bus série numérique bidirectionnelle est susceptible de relier des dispositifs indépendants tels des contrôleurs, capteurs et actionneurs.

Partant du principe dont tous ces dispositifs sont munis d’un certain degré d’autonomie (capacité calculatoire, possibilité d’autodiagnostic) l’objectif est donc de remplacer un réseau dont le contrôle est centralisé par un réseau à contrôle décentralisé.

Le bus de terrain fonctionne sur une structure de réseau qui permet généralement des topologies en guirlande, étoile, anneau, branche et arborescence. Auparavant, les ordinateurs étaient connectés à l’aide de RS-232 (connexions série) par lesquelles seulement deux appareils pouvaient communiquer. 

En automatisme industriel, on retrouve les bus de terrain bas niveau dédiés à l’interconnexion des capteurs et des actionneurs (Asi, CANopen) et les bus de terrains dédiés aux communications inter automate (Modbus, Profibus etc..).

Topologie des réseaux

Bus

Réseau en bus : La topologie du bus est la plus ancienne technologie de réseau disponible. Avec la technologie en bus, tous les nœuds ou les ordinateurs sont connectés directement à un câble principal qui traverse le réseau appelé le bus. Il a également un faible coût de déploiement et la défaillance d’un nœud (ordinateur) ne scinde pas le réseau en deux sous-réseaux.


Anneaux

Le réseau en anneau : Un réseau a une topologie en anneau quand toutes ses stations sont connectées en chaine les unes aux autres par une liaison bipoint de la dernière à la première. Chaque station joue le rôle de station intermédiaire. Chaque station qui reçoit une trame, l’interprète et la ré-émet à la station suivante de la boucle si c’est nécessaire. La défaillance d’un hôte rompt la structure d’un réseau en anneau si la communication est unidirectionnelle ; en pratique, un réseau en anneau est souvent composé de 2 anneaux contrarotatifs.


Etoile

Réseau en étoile : C’est la station centrale qui gère le réseau. C’est la topologie la plus courante actuellement. Elle est aussi très souple en matière de gestion et de dépannage d’un réseau : la panne d’un nœud ne perturbe pas le fonctionnement global du réseau. Le réseau Ethernet est un exemple de topologie en étoile.


Maillée

Le réseau maillé : En ce qui concerne les topologies maillées, il y a en fait deux types. Il y a le maillage complet, et puis il y a aussi le maillage partiel. Dans la topologie maillée complète, tous les périphériques sont connectés directement à tous les autres appareils. Cela fournit une redondance complète pour le réseau. Alors que chaque appareil connecté à tous les autres appareils fournit une grande redondance, il augmente également le coût de manière significative.

Les supports physiques

Les liaisons en milieu industriel sont souvent soumises à des perturbations extrêmes. Le choix des composants utilisés et plus particulièrement les supports de transmission est donc essentiel.

Les câbles utilisés en industrie sont renforcés selon leur utilisation pour s’adapter aux conditions auxquels ils sont exposés tels que les variations de température, les chocs, les produits chimiques et bien d’autres perturbations.

Trois types de supports physiques sont aujourd’hui assez couramment employés :

  • Le réseau cuivre, constitué pour Ethernet de paires torsadées, demeure le plus utilisé. Il permet aussi de faire passer l’alimentation.
    • Câbles coaxiaux
    • Paires torsadées (pouvant aussi être blindée)
  • La fibre optique, via des convertisseurs, permet quant à elle de transmettre le protocole par signaux optiques sur longue distance (plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres) ou encore d’assurer la déconnexion galvanique du réseau. Il s’agit là d’empêcher le passage de toute perturbation électrique/électromagnétique.
  • Enfin, la transmission radio aujourd’hui éprouvée, apporte une grande flexibilité à la machine pour ses parties mobiles ou encore en permettant à un opérateur de se mouvoir avec une interface vraiment mobile.

Le choix du réseau à déployer, filaire ou sans fil, dépend de l’application, du débit à transmettre, ainsi que l’environnement du déploiement

Normalisation des protocoles de communication industrielle

Pour que deux équipements communiquent, ils doivent parler le même langage, c’est ce qu’on appelle un protocole de communication. Ces protocoles spécifient quels types de données peuvent être envoyés, le formatage du message, son identification, son support, les droits d’utilisation, etc. Ainsi, pour que deux équipements puissent communiquer ensemble, ils doivent tous les deux être compatibles avec le protocole utilisé pour réaliser les échanges.

Les protocoles sont composés de plusieurs « couche », certains protocoles décrivent l’ensemble des couches, alors que d’autres ne décrivent qu’une partie et peuvent être encapsulés dans un autre protocole.

Par exemple certains protocoles (comme le Modbus) ne spécifient pas le support de transmission des données et la manière de les véhiculer. Il existera donc plusieurs sous-familles de Modbus comme le Modbus RTU ou le Modbus TCP/IP. RTU et TCP/IP étant aussi des protocoles. Un protocole peut être implémenté comme un protocole logiciel ou comme un protocole matériel, voire une association des deux.

Pour mieux comprendre les différentes couches d’un protocole, il existe le modèle OSI (de l’anglais Open System Interconnexion). Le modèle OSI est une normalisation (ISO 7498) qui décrit les fonctionnalités nécessaires à la communication et l’organisation de ces fonctions.

Je présente cette norme, pour illustrer la structure des protocoles, mais le nombre de couches est théorique, et nous pouvons retrouver des protocoles n’ayant qu’une partie de ces 7 couches.

Modèle OSI

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