Réseaux et bus

Les fils entre le réservoir et le lieu de surveillance s'appellent un bus ou un réseau . La distinction entre ces deux termes est plus sémantique que technique, et les deux peuvent être utilisés de manière interchangeable à toutes fins pratiques. D'après mon expérience, le terme « bus » est généralement utilisé en référence à un ensemble de fils reliant des composants numériques à l'intérieur du boîtier d'un appareil informatique, et « réseau » désigne quelque chose qui est physiquement plus répandu.

Ces dernières années, cependant, le mot « bus » a gagné en popularité pour décrire les réseaux spécialisés dans l'interconnexion de capteurs d'instrumentation discrets sur de longues distances (« Fieldbus » et « Profibus » en sont deux exemples). Dans les deux cas, nous faisons référence aux moyens par lesquels deux ou plusieurs appareils numériques sont connectés ensemble afin que les données puissent être communiquées entre eux.

Des noms tels que "Fieldbus" ou "Profibus" englobent non seulement le câblage physique du bus ou du réseau, mais également les niveaux de tension spécifiés pour la communication, leurs séquences de synchronisation (en particulier pour la transmission de données en série), les spécifications de brochage du connecteur et tous les autres éléments techniques distinctifs. fonctionnalités du réseau.

En d'autres termes, lorsque nous parlons d'un certain type de bus ou de réseau par leur nom, nous parlons en fait d'un standard de communication , à peu près analogue aux règles et au vocabulaire d'une langue écrite. Par exemple, avant que deux personnes ou plus puissent devenir correspondants, elles doivent être capables de s'écrire dans un format commun.

Il ne suffit pas d'avoir simplement un système de courrier capable de livrer leurs lettres les uns aux autres. S'ils acceptent de s'écrire en français, ils acceptent de respecter les conventions de jeu de caractères, de vocabulaire, d'orthographe et de grammaire spécifiées par la norme de la langue française.

De même, si nous connectons deux appareils Profibus ensemble, ils ne pourront communiquer entre eux que parce que la norme Profibus a spécifié des détails aussi importants que les niveaux de tension, les séquences de synchronisation, etc. Le simple fait d'avoir un ensemble de fils tendus entre plusieurs appareils n'est pas assez pour construire un système fonctionnel (surtout si les appareils ont été construits par différents fabricants !).

Pour illustrer en détail, concevons notre propre standard de bus. En utilisant le système de mesure du réservoir d'eau brute avec cinq commutateurs pour détecter les différents niveaux d'eau et en utilisant (au moins) cinq fils pour conduire les signaux jusqu'à leur destination, nous pouvons jeter les bases du puissant BogusBus :

Le câblage physique du BogusBus se compose de sept fils entre le dispositif émetteur (interrupteurs) et le dispositif récepteur (lampes). Le transmetteur se compose de tous les composants et connexions de câblage à gauche des connecteurs les plus à gauche (les symboles "—>>—"). Chaque symbole de connecteur représente un élément mâle et femelle complémentaire. Le câblage du bus se compose des sept fils entre les paires de connecteurs.

Enfin, le récepteur et tout son câblage constitutif se trouvent à droite des connecteurs les plus à droite. Cinq des fils du réseau (étiquetés 1 à 5) transportent les données tandis que deux de ces fils (étiquetés +V et -V) fournissent des connexions pour les alimentations CC. Il existe également une norme pour les connecteurs à 7 broches. La disposition des broches est asymétrique pour empêcher une connexion « en arrière ».

Pour que les fabricants reçoivent l'impressionnante certification « conforme à BogusBus » sur leurs produits, ils devraient se conformer aux spécifications définies par les concepteurs de BogusBus (très probablement une autre société, qui a conçu le bus pour une tâche spécifique et a terminé jusqu'à le commercialiser à des fins très diverses). Par exemple, tous les appareils doivent pouvoir utiliser l'alimentation 24 volts CC de BogusBus :les contacts de commutation dans l'émetteur doivent être conçus pour commuter cette tension CC, les lampes doivent absolument être conçues pour être alimentées par cette tension et les connecteurs doit être capable de tout gérer.

Le câblage, bien entendu, doit être conforme à cette même norme :les lampes 1 à 5, par exemple, doivent être câblées aux broches appropriées de sorte que lorsque LS4 de l'émetteur du fabricant XYZ se ferme, la lampe 4 du récepteur du fabricant ABC s'allume, et ainsi au. Étant donné que l'émetteur et le récepteur contiennent tous deux des alimentations CC évaluées à une sortie de 24 volts, toutes les combinaisons émetteur/récepteur (de tous les fabricants certifiés) doivent avoir des alimentations qui peuvent être câblées en toute sécurité en parallèle.

Considérez ce qui pourrait arriver si le fabricant XYZ fabriquait un émetteur avec le côté négatif (-) de son alimentation 24VDC relié à la terre et le fabricant ABC fabriquait un récepteur avec le côté positif (+) de son alimentation 24VDC relié à la terre. Si les deux masses de terre sont relativement "solides" (c'est-à-dire une faible résistance entre elles, comme cela pourrait être le cas si les deux masses étaient réalisées sur la structure métallique d'un bâtiment industriel), les deux alimentations se court-circuiteraient chacune autre !

BogusBus, bien sûr, est un exemple complètement hypothétique et très peu pratique d'un réseau numérique. Il a une résolution de données incroyablement médiocre, nécessite un câblage important pour connecter des appareils et ne communique que dans une seule direction (de l'émetteur au récepteur). Il suffit cependant comme exemple didactique de ce qu'est un réseau et de certaines des considérations associées à la sélection et à l'exploitation du réseau.

Il existe de nombreux types de bus et de réseaux que vous pourriez rencontrer dans votre profession. Chacun a ses propres applications, avantages et inconvénients. Il vaut la peine de vous associer à une partie de la « soupe à l'alphabet » utilisée pour étiqueter les différents motifs :

Bus courte distance

PC/AT
Bus utilisé dans les premiers ordinateurs compatibles IBM pour connecter des périphériques tels qu'un lecteur de disque et des cartes son à la carte mère de l'ordinateur.

PCI
Un autre bus utilisé dans les ordinateurs personnels, mais non limité aux compatibles IBM. Beaucoup plus rapide que PC/AT. Taux de transfert de données typique de 100 Mo/seconde (32 bits) et 200 Mo/seconde (64 bits).

PCMCIA
Un bus conçu pour connecter des périphériques à des ordinateurs personnels de la taille d'un ordinateur portable et d'un bloc-notes. A une très petite « empreinte » physique, mais est considérablement plus lent que les autres bus PC populaires.

VME
Un bus hautes performances (co-conçu par Motorola et basé sur la norme Versa-Bus précédente de Motorola) pour la construction d'ordinateurs industriels et militaires polyvalents, où plusieurs cartes mémoire, périphériques et même microprocesseurs peuvent être branchées sur un « rack » passif ou « cage à cartes » pour faciliter la conception de systèmes personnalisés. Taux de transfert de données typique de 50 Mo/seconde (64 bits de large).

VXI
En fait une extension du bus VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) comprend le bus VME standard ainsi que des connecteurs pour les signaux analogiques entre les cartes du rack.

S-100
Parfois appelé bus Altair, ce bus standard est le fruit d'une conférence en 1976, destiné à servir d'interface à la puce du microprocesseur Intel 8080. Philosophie similaire au VME, où les cartes à fonctions multiples peuvent être branchées sur un « rack » passif, facilitant la construction de systèmes personnalisés.

MC6800
L'équivalent Motorola du bus Intel-centric S-100, conçu pour interfacer des périphériques avec la populaire puce de microprocesseur Motorola 6800.

MISE À JOUR
Signe de Simple-To-Design, et est encore un autre « rack » passif similaire au bus PC/AT, et se prête bien aux conceptions basées sur du matériel compatible IBM. Conçu par Pro-Log, il a une largeur de 8 bits (parallèle), pouvant accueillir des cartes de circuits relativement petites (4,5 pouces sur 6,5 pouces).

Multibus I et II
Un autre bus destiné à la conception flexible de systèmes informatiques personnalisés, conçu par Intel. 16 bits de large (parallèle).

PCI compact

Une adaptation industrielle de la norme PCI d'ordinateur personnel, conçue comme une alternative plus performante à l'ancien bus VME. À une vitesse d'horloge de bus de 66 MHz, les taux de transfert de données sont de 200 Mo/seconde (32 bits) ou 400 Mo/s (64 bits).

Microcanal
Encore un autre bus, celui-ci conçu par IBM pour leur malheureuse série d'ordinateurs PS/2, destiné à l'interfaçage de cartes mères de PC avec des périphériques.

IDE
Un bus utilisé principalement pour connecter les disques durs des ordinateurs personnels avec les cartes périphériques appropriées. Largement utilisé dans les ordinateurs personnels d'aujourd'hui pour l'interfaçage des disques durs et des lecteurs de CD-ROM.

SCSI
Un bus alternatif (techniquement supérieur à IDE) utilisé pour les lecteurs de disque d'ordinateur personnel. SCSI signifie Small Computer System Interface. Utilisé dans certains PC compatibles IBM, ainsi que Macintosh (Apple) et de nombreux mini-ordinateurs et ordinateurs centraux. Utilisé pour interfacer les disques durs, les lecteurs de CD-ROM, les lecteurs de disquettes, les imprimantes, les scanners, les modems et une multitude d'autres périphériques. Vitesses jusqu'à 1,5 Mo par seconde pour la norme d'origine.

GPIB (IEEE 488)
Le bus d'interface à usage général, également connu sous le nom de HPIB ou IEEE 488, était destiné à l'interfaçage d'équipements de test électroniques tels que des oscilloscopes et des multimètres avec des ordinateurs personnels. « chemin » d'adresses/données de 8 bits de large avec 8 lignes supplémentaires pour le contrôle des communications.

Centronics parallèle
Largement utilisé sur les ordinateurs personnels pour l'interfaçage des imprimantes et des traceurs. Parfois utilisé pour s'interfacer avec d'autres périphériques, tels que les lecteurs de disquettes externes ZIP (disquette 100 Mo) et les lecteurs de bande.

USB
Universal Serial Bus, qui est destiné à interconnecter de nombreux périphériques externes (tels que claviers, modems, souris, etc.) à des ordinateurs personnels. Longtemps utilisé sur les PC Macintosh, il est désormais installé en tant que nouvel équipement sur les machines compatibles IBM.

FireWire (IEEE 1394)
Un réseau série haut débit capable de fonctionner à 100, 200 ou 400 Mbps avec des fonctionnalités polyvalentes telles que le « remplacement à chaud » (ajout ou suppression de périphériques sous tension) et une topologie flexible. Conçu pour l'interfaçage d'ordinateurs personnels hautes performances.

Bluetooth
Un réseau de communication radio conçu pour relier des appareils informatiques au bureau. Dispositions pour la sécurité des données conçues dans cette norme de réseau.

Réseaux longue distance

boucle de courant 20 mA
A ne pas confondre avec la norme analogique d'instrumentation courante 4-20 mA, il s'agit d'un réseau de communication numérique basé sur l'interruption d'une boucle de courant de 20 mA (ou parfois 60 mA) pour représenter des données binaires. Bien que la faible impédance donne une bonne immunité au bruit, elle est sensible aux défauts de câblage (tels que les ruptures) qui feraient échouer l'ensemble du réseau.

RS-232C
Le réseau série le plus couramment utilisé dans les systèmes informatiques, souvent utilisé pour relier des périphériques tels que des imprimantes et des souris à un ordinateur personnel. Vitesse et distance limitées (généralement 45 pieds et 20 kbps, bien que des vitesses plus élevées puissent être exécutées avec des distances plus courtes). J'ai pu faire fonctionner RS-232 de manière fiable à des vitesses supérieures à 100 kbps, mais cela utilisait un câble de seulement 6 pieds de long ! RS-232C est souvent appelé simplement RS-232 (pas de « C »).

RS-422A/RS-485
Deux réseaux série conçus pour surmonter certaines des limitations de distance et de polyvalence du RS-232C. Largement utilisé dans l'industrie pour relier des appareils série ensemble dans des environnements d'usine électriquement « bruyants ». Limitations de distance et de vitesse beaucoup plus importantes que RS-232C, généralement sur 800 mètres et à des vitesses approchant les 10 Mbit/s.

Ethernet (IEEE 802.3)
Un réseau à haut débit qui relie les ordinateurs et certains types de périphériques entre eux. L'Ethernet « normal » fonctionne à une vitesse de 10 millions de bits/seconde et l'Ethernet « rapide » fonctionne à 100 millions de bits/seconde. L'Ethernet plus lent (10 Mbps) a été mis en œuvre de diverses manières sur du fil de cuivre (coax épais ="10BASE5", coax mince ="10BASE2", paire torsadée ="10BASE-T"), radio et sur fibre optique (« 10BASE-F »). Le Fast Ethernet a également été implémenté sur différents supports (paire torsadée, 2 paires =100BASE-TX; paire torsadée, 4 paires =100BASE-T4; fibre optique =100BASE-FX).

Anneau symbolique
Un autre réseau à grande vitesse reliant les périphériques informatiques entre eux, utilisant une philosophie de communication très différente de celle d'Ethernet, permettant des temps de réponse plus précis des périphériques réseau individuels et une plus grande immunité aux dommages du câblage réseau.

FDDI
Un réseau très haut débit exclusivement mis en œuvre sur du câblage fibre optique.

Modbus/Modbus Plus
À l'origine mis en œuvre par la société Modicon, un grand fabricant d'automates programmables (PLC) pour relier des racks d'E/S distantes (entrées/sorties) avec un processeur PLC. Toujours assez populaire.

Profibus
Mise en œuvre à l'origine par la société Siemens, un autre grand fabricant d'équipements PLC.

Bus de terrain de la Fondation
Un bus hautes performances spécialement conçu pour permettre à plusieurs instruments de process (transmetteurs, contrôleurs, positionneurs de vannes) de communiquer avec les ordinateurs hôtes et entre eux. Peut finalement remplacer le signal analogique 4-20 mA comme moyen standard d'interconnexion des instruments de contrôle de processus à l'avenir.