Réseaux Industriels et Bus de Terrain — Fiche de Cours Module RI

Module RI — Réseaux Industriels et Bus de Terrain Fiche de cours
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Réseaux Industriels et Bus de Terrain
Fiche de cours synthétique et détaillée — Module RI
Sommaire
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. Introduction et fondamentaux des communications industrielles
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. Architecture des réseaux locaux industriels (RLI)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. Détection et correction d'erreurs (exemples calculés pas-à-pas)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74. Protocoles clés du bus de terrain et adressage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95. Adressage IP et Ethernet industriel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. Supervision SCADA et dialogue automates
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117. Synthèse, tableau récapitulatif et conseils pour les examens
1. Introduction et fondamentaux des communications industrielles
1.1 Définitions clefs et terminologie
Terme Définition
Bus (général)
Support physique de transmission partagé (câble coaxial, paire torsadée blindée, fibre
optique ou liaison sans fil sécurisée) permettant le transit des signaux électriques ou
optiques codant l'information entre plusieurs équipements interconnectés.
Réseau de communication
Ensemble structuré d'équipements matériels et de règles logicielles (protocoles)
régissant le codage, l'adressage, le séquencement, la vérification et la priorisation des
échanges de données entre entités autonomes ou hiérarchisées.
Bus de terrain (Industrial
Fieldbus)
Réseau local industriel dimensionné pour relier, en milieu électromagnétique perturbé,
les automates maîtres aux organes de terrain (capteurs, actionneurs, variateurs de
vitesse). Il se caractérise par des trames courtes, une haute fiabilité et des contraintes
temporelles strictes (temps réel déterministe).
Automate programmable
industriel (API / PLC)
Calculateur électronique robuste conçu pour piloter en temps réel des procédés
industriels. Il acquiert les signaux des capteurs, exécute le programme d'automatisme
(logique séquentielle ou régulation) et envoie les ordres de commande aux actionneurs.
1.2 Évolution historique : de la boucle analogique au numérique
L'instrumentation industrielle a débuté avec des liaisons analogiques point-à-point en boucle de courant 4–20
mA. L'essor de l'automatisation intégrée et la nécessité de remonter des données de diagnostic, de
configuration et de sécurité ont imposé la transition vers les bus de terrain numériques multiplexés.
Critère Boucle analogique 4–20 mA Bus de terrain numérique
Complexité du
câblage
Câblage point-à-point fil-à-fil lourd,
volumineux et coûteux (un câble dédié par
signal).
Câblage multiplexé sur un support partagé
unique (réduction drastique de la filerie).
Diagnostic
bidirectionnel
Absent (transmission unidirectionnelle de la
mesure analogique uniquement).
Élevé (paramétrage à distance,
auto-diagnostic, alarmes, maintenance
préventive).
Immunité au bruit
électromagnétique
Sensible aux chocs industriels, aux chutes de
tension et aux parasitages.
Excellente (codage numérique, paires
torsadées blindées, contrôle d'erreur intégré).
Volume et nature des
données
Limité à une seule variable continue (0–100 %
de l'étendue de mesure).
Échanges multivariables (mesures, consignes,
états, paramètres de régulation, horodatage).

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1.3 La pyramide CIM (Computer Integrated Manufacturing) et contraintes
temporelles
La modélisation des flux d'information au sein d'une usine automatisée s'appuie sur la pyramide CIM, qui
hiérarchise les fonctions de communication de la base opérationnelle jusqu'au sommet décisionnel :
•Niveau 0 (capteurs / actionneurs) : raccordement des composants élémentaires Tout-Ou-Rien (TOR) ou
analogiques simples.
•Niveau 1 (terrain / machine) : interconnexion des automates programmables (API), variateurs, îles
d'entrées/sorties et interfaces homme-machine (IHM).
•Niveau 2 (cellule / atelier) : coordination inter-automates, conduite de procédés et serveurs de
supervision (SCADA).
•Niveau 3 (usine / ERP) : systèmes informatiques centraux de gestion de production (MES), bases de
données et planification des ressources (ERP).
Représentation schématique du compromis temporel / volumétrique
Niveau 3
Usine / ERP
Niveau 2
Cellule / Atelier
Niveau 1
Terrain / Machine
Niveau 0
Capteurs / Actionneurs
Volume de données très important (Mo, Go)
Temps de réponse : secondes à minutes
Volume de données réduit (bits, octets)
Temps de réponse : ms à µs (temps réel strict)
Caractéristiques temporelles et volumétriques de la pyramide CIM
Niveau CIM Temps de réponse Distance maximale Données échangées
Niveau 3 (usine / ERP) Secondes à minutes Mondiale / WAN (plusieurs
km)
Fichiers / bases de
données
Niveau 2 (cellule / atelier) Dizaines à centaines de ms (n
× 100 ms)
Centaines de mètres à
quelques km
Trames / blocs
d'octets
Niveau 1 (terrain / machine) n × 1 ms à quelques ms Des dizaines de mètres (n ×
10 m) Bits / octets
Niveau 0 (capteurs /
actionneurs) n × 1 ms n × 10 m Bits
Compromis fondamental CIM : déterminisme vs volume de données
Au bas de la pyramide (niveaux 0 et 1), les échanges exigent un déterminisme strict et un temps de
réponse ultra-court (contrainte temps réel critique), mais portent sur de très faibles volumes de données
(bits/octets).
Inversement, au sommet (niveau 3), la contrainte temporelle se détend (secondes ou minutes), tandis que
le volume d'informations devient massif (fichiers, rapports d'analyse, bases de données).
Cette structuration hiérarchique impose des architectures réseau adaptées, capables de garantir la rapidité de
traitement au niveau bas en simplifiant le modèle de communication.

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2. Architecture des réseaux locaux industriels (RLI)
2.1 Réduction du modèle OSI en milieu industriel
Le modèle de référence OSI de l'ISO comporte 7 couches théoriques. En milieu industriel local,
l'implémentation complète des 7 couches générerait un surcoût logiciel (overhead) et une gigue temporelle
(jitter) incompatibles avec la réactivité requise au niveau terrain. L'architecture des RLI utilise un modèle
réduit à 3 couches (architecture dite collapsed) :
Couche Rôle
Couche 7 — Application Définit les services réseau directement accessibles aux programmes d'automatisme
(lecture/écriture de variables, dictionnaire d'objets, commandes de marche/arrêt).
Couche 2 — Liaison de
données
(2 sous-couches)
LLC (Logical Link Control) — sous-couche supérieure : interface logique avec les
couches supérieures, synchronisation des trames, contrôle logiciel d'erreur, gestionnaire
de liaison et multiplexage des protocoles.
MAC (Media Access Control) — sous-couche inférieure : contrôle d'accès au support
physique partagé (gestion des collisions, du jeton ou du suivi Maître/Esclave), formatage
physique des trames et adressage matériel (adresses MAC).
Couche 1 — Physique Spécifie les caractéristiques électriques/optiques, les niveaux de tension, le débit, le
câblage et la topologie matérielle.
La suppression des couches 3, 4, 5 et 6 garantit une latence minimale, un temps d'exécution prévisible et une
répétabilité déterministe des cycles de communication.
2.2 Topologies physiques et logiques
Topologie Structure Avantage Point de défaillance
Bus
Ligne physique unique fermée à ses
deux extrémités par des impédances de
fin de ligne (terminateurs BNC /
bouchons de charge) ; les équipements
se raccordent via des connecteurs en T
ou des boîtiers de dérivation.
Simplicité de mise en œuvre
et économie importante de
câble.
Une rupture du câble
principal entraîne la chute
totale des communications
sur le bus.
Étoile
Raccordement point-à-point de chaque
nœud vers un équipement
d'interconnexion central (commutateur
/ switch industriel).
Isolation des pannes : le
débranchement d'un
équipement n'affecte pas le
reste du réseau.
La panne du commutateur
central paralyse la totalité
de la cellule.
Anneau Chaînage fermé des équipements les
uns à la suite des autres.
Permet des architectures
redondantes (ring) : le trafic
bascule instantanément en
cas de coupure d'un brin.
Rupture physique
nécessitant un protocole de
reconfiguration matérielle et
logicielle automatique
(reconstruction de l'anneau).
Arbre
(hiérarchique)
Combinaison de sous-réseaux organisés
en branches dérivées à partir d'une
ligne dorsale (backbone).
Excellente modularité,
adaptée au découpage
d'une usine en zones et
ateliers.
La perte du nœud racine ou
du segment amont isole
toute la sous-branche
associée.
2.3 Modes de dialogue et gestion de l'accès au médium
L'accès concurrentiel au support partagé nécessite une régulation stricte du droit de parole :
Mode Principe Propriété / limite
Maître / Esclave
Un équipement maître central contrôle l'intégralité du bus.
Il interroge séquentiellement chaque esclave (polling). Un
esclave ne peut jamais émettre sans invitation préalable du
maître.
Entièrement déterministe et
simple à implémenter.
Client / Serveur
Le client émet une requête explicite (demande de
lecture/écriture) ; le serveur traite la demande puis renvoie
la réponse.
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Mode Principe Propriété / limite
CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple
Access with Collision
Detection)
Utilisé sur Ethernet standard non commuté. Chaque station
écoute le support avant d'émettre. Si deux stations
émettent simultanément, une collision est détectée, la
transmission est stoppée et chaque station attend un délai
aléatoire avant de réémettre.
Non déterministe (gigue
importante en cas de forte charge
réseau).
Passage de jeton /
Token Ring
Un jeton logique d'autorisation d'émission circule
séquentiellement entre les stations maîtresses. Seul le
détenteur du jeton a le droit d'émettre pendant un temps
délimité.
Gestion complexe du jeton (perte,
duplication, ajout/retrait de
nœuds) : latence élevée et
dégradation importante des
performances lors de pannes
répétées.
Afin d'assurer la transmission intégrale des trames à travers ces topologies en milieu électromagnétique agressif,
des mécanismes mathématiques rigoureux de contrôle d'erreur sont appliqués.
3. Détection et correction d'erreurs (exemples calculés pas-à-pas)
3.1 Contrôle de parité simple et croisée (VRC / LRC)
Les contrôles de parité ajoutent des bits de redondance pour détecter la corruption des signaux :
•VRC (Vertical Redundancy Check) : parité transversale calculée sur chaque mot/octet (détecte tout
nombre impair d'erreurs au sein du mot).
•LRC (Longitudinal Redundancy Check) : parité longitudinale calculée sur la colonne formée par un bloc
de mots (détecte les rafales d'erreurs).
Propriétés de la distance de Hamming (h)
La distance de Hamming h est le nombre minimal de bits en lesquels deux mots de code valides diffèrent.
•Pour détecter x erreurs simples : h ≥ x + 1
•Pour corriger x erreurs simples : h ≥ 2x + 1
3.2 Internet Checksum (arithmétique du complément à 1)
Principe de fonctionnement
1Les données sont découpées en mots de N bits (16 bits dans les normes IP, 4 bits dans les exemples
pédagogiques).
2À l'émetteur : le mot de checksum est initialisé à 0. Tous les mots sont additionnés en arithmétique du
complément à 1 : la retenue sortante du bit de poids fort (carry) est réinjectée par wrap-around
(additionnée au bit de poids faible). La somme obtenue est complémentée bit à bit (inversée) pour former le
checksum transmis.
3Au récepteur : le récepteur additionne tous les mots reçus, y compris le checksum. Si la somme repliée ne
comporte que des 1 (son complément vaut 0), la trame est valide. Sinon, le paquet est rejeté.
EXERCICE 1 — Illustration pédagogique en 4 bits
Soit la suite de 5 nombres sur 4 bits : (7, 11, 12, 0, 6).
Calcul à l'émetteur
•Somme décimale : 7 + 11 + 12 + 0 + 6 = 36.
•En binaire (6 bits) : 3610 = 1001002.
•Wrap-around des 2 bits de retenue (102 = 2) sur les 4 bits de poids faible (01002 = 4) : 01002 + 102 =
01102 (610).
•Complément à 1 de 01102 : Checksum = 10012 (910).
•Paquet transmis : (7, 11, 12, 0, 6, 9).

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Vérification au récepteur
•Somme décimale totale : 7 + 11 + 12 + 0 + 6 + 9 = 45, soit 4510 = 1011012.
•Wrap-around : retenue 102 (2) + poids faible 11012 (13) : 11012 + 102 = 11112 (1510).
•Inversion binaire de 11112 : 00002 ⇒ aucune erreur détectée, trame validée.
EXERCICE 2 — Internet Checksum sur 16 bits (Problème 1 de l'examen, question 3.1)
Soient les deux mots de 16 bits transmis :
Mot 1 = 1001 1111 0101 0011
Mot 2 = 1001 1111 1100 0011
(a) Calcul du checksum à l'émetteur
1001 1111 0101 0011 (Mot 1)
+ 1001 1111 1100 0011 (Mot 2)
-----------------------
1 0011 1111 0001 0110 (somme brute sur 17 bits)
Détail par nibble :
•Nibble 4 (LSB) : 0011 + 0011 = 0110 (pas de retenue).
•Nibble 3 : 0101 + 1100 = 10001 ⇒ somme 0001, retenue 1.
•Nibble 2 : 1111 + 1111 + retenue 1 = 31 = 111112 ⇒ somme 1111, retenue 1.
•Nibble 1 (MSB) : 1001 + 1001 + retenue 1 = 19 = 100112 ⇒ somme 0011, retenue 1.
Application du wrap-around (réinjection de la retenue de poids fort 1) :
0011 1111 0001 0110
+ 1
-----------------------
0011 1111 0001 0111 (somme repliée)
Inversion bit-à-bit (complément à 1) de la somme repliée :
Checksum = 1100 0000 1110 10002
(b) Validation au récepteur sans erreur
Le récepteur calcule Mot 1 + Mot 2 + Checksum :
0011 1111 0001 0111 (Mot 1 + Mot 2, replié)
+ 1100 0000 1110 1000 (checksum reçu)
-----------------------
1111 1111 1111 1111 (somme égale à tous des 1)
Inversion binaire : 1111 1111 1111 11112 → 0000 0000 0000 00002. Le résultat étant nul, le récepteur
confirme l'absence d'erreur et valide le paquet.
(c) Analyse en présence d'erreurs de transmission
Une erreur survient sur le 3e bit du 1er mot de données et le 12e bit du checksum :
1L'altération de ces bits modifie la somme calculée par le récepteur.
2L'addition des mots de données altérés avec le checksum altéré ne produira plus la séquence constituée
uniquement de 1.
3Après inversion finale, le résultat obtenu sera différent de 0.
4Conclusion : le récepteur détecte l'incohérence et rejette immédiatement l'intégralité de la trame.
3.3 Code à redondance cyclique (CRC — division polynomiale)
Le CRC repose sur la division polynomiale binaire modulo 2 (opérations XOR sans retenue). Pour un message
M(x) de m bits et un polynôme générateur G(x) de degré r, l'émetteur ajoute r zéros à droite du message,
réalise la division et transmet le reste R(x) de r bits à la suite des données.