Transmission numérique des signaux

Les réseaux industriels qui transmettent des données à l'aide de signaux numériques font souvent partie intégrante d'une solution d'acquisition de données ou de contrôle de processus. Une compréhension de base des technologies réseau disponibles pour diverses applications est obligatoire pour prendre les meilleures décisions de mise en œuvre, décisions qui peuvent avoir un effet profond sur

la capacité à s'adapter à des technologies en constante évolution. Par exemple, le type de réseau ou de produits réseau sélectionnés pour une application d'acquisition de données peut avoir une incidence considérable sur l'évaluation du rapport coût/bénéfice des projets futurs. Jusqu'à récemment, la fibre optique était une option coûteuse qui semblait excessive pour la plupart des

applications. Mais avec le volume d'informations susceptible de circuler entre les nœuds d'un réseau d'entreprise, la fibre optique semble désormais intéressante. Les technologies réseau offrent une gamme d'options déconcertante, et certains segments de cette technologie évoluent à un rythme incroyable. L'utilisateur moyen peut passer des semaines à rechercher les différentes
façons de construire ou d'améliorer un réseau, pour finalement se rendre compte qu'une fois la décision prise et les produits achetés, la vague suivante de technologies plus performantes, plus rapides et plus efficaces est déjà disponible. Une solution intégrée et bien conçue pour la transmission de données conférera un avantage concurrentiel à toute entreprise industrielle. Les utilisateurs de tous les secteurs d'une entreprise doivent pouvoir obtenir des données sur l'usine et l'activité à partir de n'importe quel nœud physique, local ou distant. Il est de plus en plus facile de « coller

» ensemble des éléments

de réseaux nouveaux et/ou existants grâce à l'utilisation de technologies de pontage, de routage et de conversion de média qui relient entre eux les réseaux locaux, étendus et industriels. Et avec l'Internet et les technologies sans fil, la transmission de données sur de vastes zones

géographiques est de plus

en plus facile. Presque toutes les descriptions de réseaux numériques commencent par le modèle OSI (Open Systems Interconnect) (Figure 4-1). Il explique les différentes « couches » de la technologie réseau. Pour l'utilisateur occasionnel, ce modèle est un peu abstrait, mais il n'existe pas de meilleur moyen pour commencer à comprendre ce qui se passe. Titre de la légende de l'image Il est parfois utile de comprendre chaque couche en examinant la technologie qu'elle représente. La couche application est la plus intuitive,
car c'est celle que voit l'utilisateur. Elle représente le problème que l'utilisateur souhaite voir résoudre par le système. Les navigateurs Internet et les programmes de messagerie électronique en sont de bons exemples. Ils permettent à l'utilisateur de saisir et de lire des données tout en étant connecté entre un PC client et un serveur quelque part sur Internet. Dans une application industrielle, un programme sur un contrôleur logique programmable (PLC) peut contrôler une vanne intelligente. La couche de présentation effectue le formatage des données entrantes et sortantes de l'application.
Cette couche assure des services tels que le cryptage, la compression et la conversion des données d'un format à un autre. Par exemple, une application (une couche au-dessus) peut envoyer un horodatage formaté en 12 heures : 13 h 30 min 48 s. Une représentation plus universelle est 13:30:48, en format 24 heures, qui peut être acceptée ou présentée à l'application du nœud suivant sous la forme dont elle a besoin. L'un des avantages des services de présentation est qu'ils contribuent
à éliminer les frais généraux, ou services intégrés, dans les programmes d'application. La couche session établit la connexion entre les applications. Elle applique également les règles de dialogue, qui spécifient l'ordre et la vitesse de transfert des données entre un expéditeur et un destinataire. Par exemple, la couche session contrôlerait le débit de données entre
une application et une imprimante avec un tampon fixe, afin d'éviter les débordements de tampon. Dans l'exemple de l'horodatage, une fois les données présentées au format 24 heures, un identifiant et un indicateur de longueur sont ajoutés à la chaîne de données. La couche transport est essentiellement une interface entre le processeur et le monde extérieur. Elle génère des adresses pour les entités de session et s'assure que tous les blocs
ou paquets de données ont été envoyés ou reçus. Dans l'exemple de l'horodatage, une adresse pour chaque entité de session (expéditeur et destinataire) et une somme de contrôle sont ajoutées au bloc généré par la couche de session. La couche réseau effectue des fonctions de comptabilité, d'adressage et de routage sur les messages reçus de la couche transport. Si le message est long, cette couche le divise et le séquence sur le réseau. Cette couche utilise également une table de routage réseau pour trouver le nœud suivant sur le chemin vers l'adresse de destination. Dans l'exemple de
l'horodatage, une adresse de nœud et un numéro de séquence sont ajoutés au message reçu de la couche de session. La couche liaison de données établit et contrôle le chemin physique de communication d'un nœud à l'autre, avec détection des erreurs. Cette couche effectue le contrôle d'accès au support (MAC) pour décider quel nœud peut utiliser le moyen et à quel moment. Les règles utilisées pour exécuter ces fonctions sont également appelées protocoles. Les protocoles Ethernet et Token Ring sont des exemples de protocoles. Dans l'exemple de l'horodatage, un en-tête et une fin de trame sont ajoutés au message reçu de la couche transport pour signaler le début et la fin de la trame, le type de trame (contrôle ou données), la somme de contrôle et

d'autres fonctions. La

couche physique est peut-être la couche la plus visible du point de vue des coûts. Il est relativement facile de comprendre les coûts de main-d'œuvre et de matériel liés à la pose de câbles, ainsi que l'infrastructure physique (conduits, chemins de câbles et canalisations) nécessaire pour maintenir l'intégrité des câbles. Cette couche n'ajoute rien à la trame du message. Elle convertit simplement le message numérique reçu de
la couche liaison de données en une chaîne de uns et de zéros représentée par un signal sur le support. Un exemple est le RS-485, où un 1 binaire est représenté par une marque, Ou état inactif, et un 0 binaire est représenté par un espace, ou état actif. Un Mark est une tension négative entre les bornes du générateur, tandis qu'un espace est une tension positive sur ces bornes. Options de la couche physique Il existe plusieurs mises en œuvre de la couche physique. Les périphériques réseau offrent un large éventail d'options de connectivité. Certains réseaux sont bien

définis à l'aide

du modèle OSI, où les câbles, les ponts, les routeurs, les serveurs, les modems et les PC sont facilement identifiables. Parfois, seuls quelques périphériques sont reliés entre eux dans une sorte de réseau propriétaire, ou les services réseau sont regroupés dans une boîte noire avec le périphérique. Les interfaces d'échange de données série les plus courantes sont RS-232, RS-422 et RS-485 pour connecter deux ou plusieurs périphériques entre eux . Ces trois interfaces utilisent
la terminologie équipement terminal de données (DTE) et équipement de communication de données (DCE) (Figure 4-2). Le DTE est le composant qui souhaite communiquer avec un autre composant situé ailleurs, par exemple un PC communiquant avec un autre PC. Le DCE est le composant qui effectue réellement la communication ou qui remplit les fonctions de générateur et de récepteur décrites dans les normes. Un modem est un exemple courant de DCE. Titre de la légende de l'image Les interfaces entre le DTE et le DCE peuvent
être classées selon des aspects mécaniques, électriques, fonctionnels et procéduraux. Les spécifications mécaniques définissent les types de connecteurs et le nombre de broches. Les spécifications électriques définissent les tensions et les formes d'onde, ainsi que les modes de défaillance et leurs effets. Les spécifications techniques comprennent la synchronisation, les données, les masses de contrôle et de signal, ainsi que les broches que les fonctions doivent utiliser. L'interface procédurale spécifie la manière dont les signaux sont échangés. RS-485 est une autre méthode de transmission de
données en série. Officiellement, il s'agit de la norme EIA 485, ou « Norme relative aux caractéristiques électriques des générateurs et récepteurs destinés à être utilisés dans des systèmes multipoints numériques symétriques » de l'Electronics Industry Association (EIA). Cette norme définit une méthode pour générer des uns et des zéros sous forme d'impulsions de tension. N'oubliez pas que pour toutes les opérations de traitement des données, de tramage, de mise en paquets, de routage et d'adressage effectuées par les couches supérieures, il s'agit toujours d'envoyer des uns et des zéros
sur un support physique. Ce qu'il est important de savoir à propos de la norme RS-485, c'est qu'elle autorise plusieurs récepteurs et générateurs, et qu'elle spécifie les caractéristiques des câbles en termes de vitesses et de longueurs de signalisation. Un câble typique est une paire de cuivre torsadée avec blindage, qui convient à la fréquence de signalisation typique de 10 millions de bits par seconde (Mbps). Cette norme définit uniquement les caractéristiques électriques des formes d'onde. Notez que la norme RS-485 ne spécifie aucune fonction de contrôle des supports, celle-ci étant strictement réservée au dispositif connecté au générateur (généralement une

puce). La norme RS-485

convient généralement pour des longueurs de câble allant jusqu'à 600 mètres. Un exemple de réseau série simple pourrait être une série d'enregistreurs connectés via une liaison RS-485 à un PC qui reçoit les données acquises par chaque enregistreur. Le fabricant vend une carte enfichable qui s'installe dans chaque enregistreur, avec des fiches de câblage. Chaque carte réseau est connectée en série aux autres via une série de câbles à paires torsadées blindées qui se
terminent finalement sur une carte d'interface réseau dans le PC. Il n'est pas vraiment nécessaire de connaître et de comprendre les couches réseau dans cette configuration, sauf pour comprendre les limites du RS-485 (distance, blindage, débit de données, etc.). Le titre de la norme
RS-422 est TIA/ EIA 422 B, « Caractéristiques électriques des circuits d'interface numérique à tension équilibrée » de la Telecommunications Industry Association (en association avec l'EIA). Elle est similaire à la norme RS-485, les principales
différences étant les temps de montée et les caractéristiques de tension de la forme d'onde. La norme RS-422 autorise généralement des longueurs de câble allant jusqu'à 1,2 kilomètre à un débit maximal de 100 000 bits par seconde (kbps). À 10 millions de bits par seconde (Mbps), les longueurs de câble sont limitées à environ 10 mètres (Figure 4-3). En cas de déséquilibre du câble ou de niveaux de bruit en mode commun élevés, les longueurs de câble peuvent être encore réduites afin de maintenir
le débit de signalisation souhaité. Titre de la légende de l'image La norme RS-232C est sans doute la forme la plus courante d'échange de données en série. Elle est officiellement connue sous le nom EIA/TIA 232 E, « Interface entre équipement terminal de données et équipement de terminaison de circuit de données utilisant l'échange de données binaires », également définie par la TIA en association avec l'EIA. Le suffixe « E » indique une version plus récente que la version « C » courante.
Ce qui différencie cette norme des normes RS-422 et RS-485, c'est qu'elle définit les interfaces mécaniques et électriques. La norme RS-232 convient pour des fréquences de signal allant jusqu'à 20 kbps, sur des distances allant jusqu'à 15 mètres . Un zéro (espace) et un un (marque) sont mesurés en termes de différence de tension par rapport au signal commun (+3 V cc = 0, -3 V cc = 1). Les interfaces mécaniques les plus courantes sont les connecteurs D-sub 9 et D-sub 25. Les circuits d'échange (broches) des dispositifs RS-232 se répartissent en quatre catégories : signal commun, circuits de données (données transmises, données reçues), circuits de commande (c'est-à-dire demande d'envoi, autorisation
d'envoi, DCE prêt, DTE prêt) et circuits de synchronisation. Les normes décrites ci-dessus sont toutes utilisées dans les systèmes de communication série conçus pour de longues distances. Il existe une interface parallèle commune, connue sous le nom de General Purpose Interface Bus (GPIB) ou IEEE- 488. Il permet d'interconnecter

jusqu'à 15 appareils,

généralement des ordinateurs personnels et des équipements ou instruments scientifiques. Il offre un débit de signalisation de données élevé, pouvant atteindre 1 Mbps, mais sa longueur est limitée. La longueur totale autorisée du bus est de 20 mètres, avec une distance maximale de 4 mètres entre les appareils. Le bus IEEE-488 est une interface parallèle multipoints comportant 24 lignes accessibles à tous les appareils. Les lignes sont regroupées en lignes de données, lignes de handshake, lignes de gestion du bus et lignes de terre. La communication est numérique et les messages sont envoyés un octet à la fois. Le connecteur est un connecteur à 24 broches ; les appareils
sur le bus utilisent des prises femelles tandis que les câbles d'interconnexion ont des fiches mâles correspondantes. Un câble type comporte des connecteurs mâles et femelles pour permettre la connexion en série entre les appareils. Un exemple de mise en œuvre IEEE-488
est un système de mesure conçu pour évaluer les performances d'un évier d'échantillons chimiques. L'évier effectue le conditionnement des échantillons (contrôle de la pression, du débit et de la température) et l'analyse chimique (pH, oxygène dissous et Conductivité) des échantillons d'eau. L'évier est équipé de capteurs de pression, de
détecteurs de température à résistance (RTD), thermocouples et jonctions de référence de thermocouple. Un scanner à 30 points est utilisé pour multiplexer les données provenant de tous les capteurs. Le scanner est connecté à un ordinateur de bureau ou portable à l'aide de l'interface GPIB. Les données sont acquises, stockées, affichées et réduites à l'aide de programmes d'application
sur le PC, de manière efficace et fiable sous IEEE-488. Le moyen utilisé pour la mise en œuvre de la couche physique est généralement un ensemble de fils de cuivre. Le câble à paires torsadées non blindées (UTP) est le plus abordable. Il est léger, facile à tirer, facile à raccorder et utilise moins d'espace dans les chemins de câbles que le câble à paires torsadées avec blindage (STP). Cependant, il est plus sensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Légende de l'image Le STP est plus lourd et plus difficile à fabriquer,
mais il peut considérablement améliorer la fréquence de signalisation dans un schéma de transmission donné (Figure 4-4.). La torsion permet d'annuler les champs et les courants induits magnétiquement sur une paire de conducteurs. Des champs magnétiques apparaissent autour d'autres conducteurs transportant des courants élevés et autour de gros moteurs électriques. Il existe différents grades de câbles en cuivre, le

grade 5 étant le

meilleur et le plus cher. Le cuivre de grade 5, adapté à une utilisation dans des applications à 100 Mbps, comporte plus de torsions par pouce que les grades inférieurs. Plus il y a de torsions par pouce, plus il faut de mètres linéaires de fil de cuivre pour fabriquer un câble, et plus il y a de cuivre, plus cela coûte cher. Le Blindage permet de réfléchir ou d'absorber les champs électriques présents autour des câbles. Le blindage se présente sous différentes formes, allant du tressage ou du maillage de cuivre à la bande de mylar aluminisée enroulée autour de chaque conducteur, puis autour de la paire torsadée. Les fibres
optiques sont de

plus en plus

utilisées, car les applications des utilisateurs exigent des bandes passantes de plus en plus élevées. Le terme « bande passante » désigne techniquement la différence entre les fréquences les plus élevées et les plus basses d'un canal de transmission, en hertz (Hz). Plus couramment, il signifie la capacité ou la quantité de données pouvant être envoyées via un circuit donné. Une bande passante de 100 Mbps est la norme pour les câbles à FIBRE OPTIQUE. Lors de ses débuts, la FIBRE OPTIQUE était réservée à des applications spéciales, car elle était coûteuse et difficile à utiliser. Ces dernières années, la recherche d'une bande passante plus importante,
combinée à une FIBRE

OPTIQUE plus facile à utiliser, l'a rendue plus courante. Les outils et la formation nécessaires à l'installation et au dépannage de la fibre optique sont facilement disponibles. Il existe trois types de câbles à fibre optique : multimode à indice échelonné, multimode à indice gradué et monomode.
Les fibres multimodes sont généralement alimentées par des LED à chaque extrémité du câble, tandis que les fibres monomodes sont généralement alimentées par des lasers. Les fibres monomodes peuvent atteindre des bandes passantes beaucoup plus élevées que les fibres multimodes, mais elles sont plus fines (10 microns) et physiquement plus fragiles que les fibres multimodes. Le coût des équipements nécessaires à la transmission et à la réception des signaux monomodes est beaucoup plus élevé (au moins quatre fois) que pour les signaux multimodes. L'un des avantages distinctifs des câbles à fibre optique est leur immunité au bruit. Les câbles

à fibre optique peuvent être acheminés sans distinction à travers des zones très bruyantes, bien que les normes de résistance au feu doivent être respectées. Les câbles qui traversent plusieurs espaces dans une usine doivent être homologués pour les plénums de chauffage/ventilation/climatisation (CVC) où ils peuvent résister aux incendies conformément aux exigences de la National Fire Protection Association (NFPA).
Topologies de réseau Le terme « topologie » désigne la méthode utilisée pour connecter les composants d'un réseau. Les topologies les plus courantes sont les topologies en anneau, en bus et en
étoile (schémas 4-5, 4-6 et 4-7), mais elles peuvent se ressembler tout en conservant leurs caractéristiques propres. Par exemple, un segment de réseau en anneau à jeton peut être câblé selon une

configuration en étoile,

où les composants sont reliés à une plateforme dans laquelle l'anneau est « intégré ». Cela permet d'utiliser une armoire de câblage commune pour un bâtiment ou une zone donnée, avec des câbles de raccordement pour chaque composant. Une plateforme offre les avantages d'un entretien & service centralisé et d'un contrôle de la configuration. Titre de la légende de l'image Bus et anneaux à jeton Les fonctions MAC des anneaux et des bus à jeton sont similaires. ARCnet, développé
par Datapoint Corp. dans les années 70, est un protocole de passage de jeton qui peut être mis en œuvre dans une topologie en bus ou en étoile à l'aide de câbles coaxiaux ou UTP. Un « jeton » est transmis autour du bus ou de l'anneau. Le nœud qui possède le jeton est autorisé à communiquer sur le moyen. ARCnet fonctionne à 2,5 Mbps, sur les longueurs suivantes : 400 pieds avec 10 nœuds utilisant un câble UTP ; 2 000 pieds avec une limite pratique de 100 nœuds maximum utilisant un câble coaxial RG-62 dans une configuration en étoile coaxiale (à l'aide d'une ou plusieurs plateformes) ; et 1 000 pieds avec 10 nœuds par segment de 1 000 pieds utilisant un câble coaxial RG-62. Légende de l'image ARCnet utilise des concentrateurs

permettant de définir

les numéros de

nœuds. Le nœud

ayant le numéro le plus bas est

modulaires sont utilisés

avec des modules ThinNet dans une configuration en étoile. Le câble coaxial fin est terminé par des connecteurs en « T » sur les nœuds du réseau, plusieurs nœuds étant connectés en série sur un segment, avec une extrémité du câble renvoyée
vers le répéteur. La longueur maximale d'un segment en série est de 185 mètres, avec une distance minimale entre les nœuds (connecteurs en T) de 0,5 mètre. Un segment ne peut comporter plus de 30 nœuds. Des terminaisons de 50 ohms sont obligatoires à chaque extrémité d'un segment. La mise en œuvre 10BaseT utilise un câble UTP, avec les meilleurs résultats obtenus avec du cuivre de catégorie 5. Les nœuds sont connectés à une plateforme dans une configuration en étoile. La longueur maximale d'un segment est de 100 mètres. La mise en œuvre
10BaseFL utilise un câble à fibre optique multimode de 50, 62,5 ou 100 microns. Des émetteurs-récepteurs à fibre optique sont disponibles pour la connexion à des cartes d'interface réseau qui ne prennent pas en charge la fibre optique. Des répéteurs peuvent être utilisés pour connecter des segments 10Base5 entre eux jusqu'à 2 500 mètres, et les composants et les réseaux plus petits peuvent être reliés entre eux à l'aide de dispositifs d'interface afin de réunir les différents types de supports en un réseau plus vaste. La norme IEEE-802.3 couvre plusieurs mises en œuvre CSMA/CD, avec des longueurs pouvant
atteindre 925, 2 500 et 3 600 mètres. Le nombre de nœuds autorisés dépend des exigences matérielles et de
performance du système d'exploitation réseau. Plus il y a de nœuds et plus le trafic est important, plus le risque de collisions est élevé. Les performances du réseau peuvent baisser lorsque vous en avez le plus besoin, par exemple lors d'un transitoire dans l'usine, lorsque
le débit de données et les activations des éléments de contrôle sont élevés. Ethernet ou CSMA/CD est établi pour 1, 10 et 100 Mbps, 10 Mbps étant actuellement le plus courant. Certains fournisseurs proposent un Ethernet « rapide » à 100 Mbps, compatible avec les mises en œuvre 10 Mbps existantes. Le
100BaseT est essentiellement du 10BaseT, mais 10 fois plus rapide. Les deux utilisent la même couche MAC. À des vitesses plus élevées, les
mises en œuvre doivent tenir compte des délais aller-retour en cas de collisions. Enfin, une mise en œuvre Ethernet sans fil est disponible. Elle prend en charge
des débits de données allant jusqu'à 3 Mbps dans des espaces ouverts jusqu'à 3 000 pieds et à l'intérieur de 200 à 600 pieds, et aucune ligne de visée n'est obligatoire à l'intérieur. Des répéteurs et des ponts sans fil sont disponibles pour relier les cellules entre elles. Les décisions concernant les topologies des réseaux locaux (LAN) et les protocoles MAC peuvent avoir une incidence sur la manière dont un réseau sera géré pendant des années. Une nouvelle installation peut être câblée avec des composants réseau et des dispositifs de câblage de pointe, mais l'administrateur réseau ou l'ingénieur d'usine est généralement confronté à une infrastructure existante, où les options sont limitées par les moyens installés. Par exemple, un ancien câble STP à boucle de courant continu 4-20 mA abandonné peut toujours être utilisé pour mettre en œuvre un réseau Ethernet 10BaseT et réaliser des économies considérables sur le projet. Il est également possible d'acheter un nouveau câble à fibres optiques multimodes pour le projet à faible bande passante

de cette année et

de conserver des fibres monomodes de rechange pour de futures applications à bande passante élevée. Les protocoles de passage de jeton et CSMA/CD permettent des comparaisons intéressantes. Le passage de jeton offre une fenêtre d'accès prévisible avec des performances constantes sur les réseaux étendus et très fréquentés, mais les nœuds
doivent attendre le jeton et les grands anneaux peuvent entraîner des délais importants. Le CSMA/CD permet à un nœud de transmettre immédiatement lorsque le réseau est calme, mais les performances peuvent
être imprévisibles et dépendent de la probabilité de collisions. L'évolutivité et la croissance sont deux aspects à prendre en compte pour chaque nouveau segment ou modification d'un segment donné. Le défi consiste à surveiller les demandes du réseau à mesure que de nouvelles applications apparaissent et à sélectionner la bande passante et l'évolutivité appropriées pour le budget disponible. Passage aux couches supérieures Jusqu'à présent, nous avons décrit la couche physique, avec les fonctions implicites des couches liaison de données et

réseau. Deux appareils

peuvent communiquer via une simple liaison RS-485 ou faire partie d'un réseau local plus vaste avec des contrôles d'accès aux médias complexes. La seule fonction de la liaison de données est de transmettre les données d'un nœud
à l'autre. La couche liais

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