La croissance de l’offre et de l’acceptation des réseaux sans fil dans l’environnement industriel est évidente. Des problèmes tels que la fiabilité, la sécurité, la latence et le déterminisme sont traités différemment par les protocoles sans fil tels que Wireless HART, ISA 100.11a, ZigBee, entre autres. Ces protocoles entrent dans une catégorie plus large appelée « Réseaux de Capteurs Sans Fil » et il existe une grande quantité de matériel et de produits publiés déjà disponibles dans cette catégorie de réseaux de capteurs sans fil. 

La norme électrique la plus répandue pour les réseaux de communication filaire dans le domaine de la fabrication industrielle est EIA/TIA-485 (RS-485). Et dans ces réseaux, le protocole Modbus RTU se démarque, un protocole simple avec une vaste offre de produits dans le monde entier. 

La plupart des convertisseurs de communication filaire vers des appareils sans fil posent des problèmes d’application avec le protocole Modbus RTU, en raison de la difficulté à ajuster les temps de communication. Surtout dans les réseaux qui exploitent des produits de différents fabricants, il est très difficile de configurer les convertisseurs pour s’assurer que les paquets de communication Modbus RTU ne sont pas divisés pendant le processus de communication. Le fractionnement peut provoquer une erreur de communication avec certains périphériques du réseau, augmentant le trafic avec les tentatives et entraînant une forte dégradation des performances. 

Cet article présente des solutions pour créer de réseaux ou sous-réseaux Modbus RTU sans fil facilement intégrables aux systèmes filaires basés sur ce même protocole. Pour fournir une connectivité sans fil, la norme IEEE 802.15.4 est adoptée, la même utilisée dans la grande majorité des systèmes « Wireless Sensor Network ». Les caractéristiques inhérentes au protocole Modbus RTU, telles que l’exigence de temps stricte, la formation et la délimitation des paquets, la faible vitesse, le nombre d’esclaves et le maître unique sont traitées par  pour garantir le bon fonctionnement du protocole Modbus RTU, même en fonctionnement sans fil. 

Création de réseaux sans fil Modbus RTU 

L’AirGate-Modbus est une passerelle qui intègre les réseaux Modbus RTU sur RS485 dans un ou plusieurs réseaux sans fil IEEE 802.15.4. Cette intégration est réalisée de manière transparente pour le réseau Modbus, permettant ainsi le remplacement simple de longs tronçons de câblage par des segments sans fil. 

Chaque passerelle dispose de trois interfaces de communication : USB, RS-485 et IEEE 802.15.4. Différentes dispositions entre réseaux filaires et sans fil sont possibles, selon la configuration de chacune de ces interfaces. 

L’interface IEEE 802.15.4 fonctionne en topologie en étoile et permet de configurer plusieurs étoiles, ce qui permet de résoudre des problèmes complexes de connectivité sans fil. La passerelle utilise des mécanismes internes de la norme IEEE 802.15.4 pour assurer le fonctionnement de la communication sans fil même en cas d’interférences d’autres appareils fonctionnant dans la même plage de fréquences. La sélection automatique du canal de communication (sur un total de 16) est basée sur le mécanisme de détection d’énergie (Energy Detection) et de qualité du signal (Quality of Signal), combiné au taux d’erreur dans la communication sans fil Modbus RTU. Ce mécanisme favorise la commutation automatique des canaux chaque fois qu’il y a une baisse de performance ou de qualité dans le réseau sans fil. La fréquence centrale de fonctionnement est de 2,4 GHz, avec une puissance de 20 dBm (100 mW), ce qui donne une portée de 1000 m en champ libre et d’environ 100 m à l’intérieur des bâtiments (la portée à l’intérieur de bâtiments dépend du nombre et du type d’obstacles entre les équipements sans fil). 

Nombre maximal d’appareils sur le réseau RS485

La norme TIA/EIA-485, communément appelée RS485, ne définit pas le nombre maximal d’appareils connectés sur un réseau. Elle mentionne un certain nombre de paramètres qui peuvent être utilisés pour le calcul de cette limite. Certains de ces paramètres sont les suivants :

• Limite inférieure pour la résistance à la charge résultante sur le bus informatique.
• Valeur de résistance que chaque appareil du réseau représente sur le bus informatique, appelée « Charge Unitaire » (15 kΩ).
• Valeur minimale de courant que le pilote (transmetteur) d’un périphérique RS485 doit pouvoir fournir.

À partir de ces données, et compte tenu de la nécessité de résistances de terminaison aux deux extrémités du bus, on peut calculer la limite de 32 dispositifs à charge unitaire pour un bus de communication RS485. Pour rappel, il est recommandé d’utiliser des résistances de terminaison de 120 Ω, dont la valeur résultante est de 60 Ω.

Actuellement, des équipements RS485 avec une charge inférieure à l’unitaire sont disponibles, les valeurs habituelles étant 1/2, 1/4 et 1/8 de la charge unitaire. Pour étendre le nombre d’appareils sur un réseau RS485 à 256, une solution possible consiste à n’utiliser que des appareils avec 1/8 de la charge unitaire. Les équipements de NOVUS Automation utilisent des pilotes de 1/8 de charge depuis 2008. Comme dans de nombreuses applications, il existe également des appareils non fabriqués par NOVUS sur le bus informatique, le calcul théorique du nombre maximal d’appareils sur le réseau RS485 peut être plus difficile.

Dans les applications plus petites, où la longueur des câbles de réseau est courte et/ou la vitesse de communication est basse, il peut être possible d’éliminer les résistances de terminaison. Ceci permet d’augmenter la capacité des appareils du réseau de 32 à 282 appareils ! De cette façon, il est un fonctionnement fiable, dans ces conditions, il n’est pas garanti.

Enfin, pour les utilisateurs du protocole Modbus RTU sur le bus RS485, il convient de noter qu’une éventuelle augmentation du nombre de périphériques physiques sur le réseau RS485 pourrait heurter la limite logique des esclaves du Modbus RTU, qui est de 247.

S’agissant d’un appareil dédié au protocole Modbus RTU, la passerelle AirGate-Modbus assure la non-rupture des paquets Modbus RTU, ce qui garantit leur non-détérioration en transmission sans fil. Cet appareil effectue également une vérification préalable des paquets Modbus, ne transmettant pas de paquets contenant des erreurs, ce qui contribue à minimiser le trafic réseau. 

Applications typiques de la passerelle Modbus pour les réseaux sans fil 

Les dispositifs de passerelle AirGate-Modbus sont applicables dans la simple élimination des câbles dans les systèmes déjà installés, dans les nouveaux projets ou les extensions de systèmes d’automatisation industrielle qui nécessitent des fonctionnalités plus avancées, telles que le multiplexage de maîtres Modbus, plusieurs segments de réseau filaire interconnectés par wireless et utilisation des répéteurs pour une portée étendue. Certaines de ces applications sont illustrées ci-dessous. 

    1. Inclusion de segments sans fil dans un réseau filaire existant 

Dans les systèmes où il existe déjà un réseau Modbus RTU fonctionnant en RS-485, il est possible d’inclure une couverture sans fil pour la communication avec d’autres segments filaires. Ce type de situation est typique dans les extensions de réseau où l’installation de nouveaux câbles est difficile ou non souhaitable. L’inclusion d’une passerelle à n’importe quel point du réseau existant et d’autres passerelles à n’importe quel point des nouveaux segments câblés permettra une communication complète comme s’il s’agissait d’un seul réseau Modbus RTU. La figure 1 illustre cette application. 

   2. Connexion directe de la passerelle au port USB du PC SCADA 

Dans les applications de supervision basées sur des ordinateurs PC, la passerelle peut être connectée directement à l’interface USB de l’ordinateur, en la convertissant simultanément en RS-485 et IEEE 802.15.4. Depuis l’interface RS-485 de la passerelle, le réseau filaire peut être utilisé pour communiquer avec les esclaves Modbus RTU. D’autres passerelles installées à portée de la première permettent une communication sans fil avec d’autres réseaux filaires qui leur sont connectés, comme illustré à la figure 2. 

   3. Utilisation de la passerelle pour multiplexer deux maîtres dans le réseau sans fil 

Le protocole Modbus RTU définit que le réseau ne peut avoir qu’un seul maître, ce qui impose des contraintes techniques sur plusieurs applications de supervision. L’AirGate-Modbus accepte la connexion de 2 maîtres, l’un sur l’interface USB (généralement un PC) et l’autre sur l’interface RS-485 (généralement une IHM ou un automate). Les requêtes de communication de ces 2 maîtres sont contrôlées par la passerelle et envoyées alternativement aux esclaves via l’interface IEEE 802.15.4, les réponses reçues étant renvoyées au bon maître. La figure 3 illustre cette application. 

   4. Utilisation de passerelles supplémentaires pour étendre la portée des réseaux sans fil. 

Pour étendre la portée du réseau sans fil, des passerelles supplémentaires peuvent être installées, qui formeront des sous-réseaux sans fil supplémentaires, dans une structure arborescente, comme illustré à la Figure 4. 

   5. Fonction répéteur avec application en étoile 

Différentes topologies de réseau sans fil peuvent être formées à partir de la nouvelle version du firmware AirGate-Modbus. Lors de la mise à jour de l’AirGate-Modbus via son interface USB, à l’aide du logiciel de configuration , les appareils configurés en tant qu’esclaves RS485 s’adapteront automatiquement aux exigences du réseau. Dans ce mode de fonctionnement, l’AirGate-Modbus remplira la fonction d’un répéteur sans fil, une fois qu’il trouvera le besoin d’étendre le réseau sans fil auquel il est intégré. Il est important de souligner que cette fonction est activée instantanément lorsque l’équipement est configuré en tant que RS485-Slaves, sans qu’aucune configuration supplémentaire ne soit nécessaire. 

Comme illustré dans la figure ci-dessous, pour étendre le réseau, un AirGate-Modbus configuré comme RS485 SLAVES (Firmware > 1.23) a été inséré avec le même PAN ID (5670). Dans un autre segment, deux AirGates étaient connectés via leurs interfaces RS485, un AirGate-Modbus fonctionnant en mode RS485-SLAVES à un AirGate-Modbus fonctionnant en mode RS485-MASTER. Dans ce segment, une nouvelle PAN ID (5671) a été créé, démarrant un nouveau réseau en étoile. 

Le protocole Modbus RTU, avec sa base installée importante et croissante, peut bénéficier de la technologie de communication sans fil, à condition que des précautions techniques soient prises pour éviter les erreurs de communication excessives. L’utilisation de convertisseurs génériques pour la communication Modbus RTU par radiofréquence peut augmenter le taux d’erreurs de communication, étant plus approprié l’adoption de dispositifs qui tiennent compte des caractéristiques particulières de ce protocole lors du processus de conversion. 

Le dispositif AirGate-Modbus est dédié à ce type de conversion, mais possède des fonctionnalités encore plus étendues, se caractérisant comme une passerelle de communication, permettant de la simple élimination des câbles à des fonctionnalités complexes telles que le multiplexage des maîtres Modbus et la structuration de plusieurs réseaux, filaires et non filaires. Les exemples d’application présentés permettent d’entrevoir les possibilités qu’offre la technologie sans fil au protocole Modbus largement répandu et consolidé. 

Références :

IEEE Std 802.15.4™-2003, IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific Requirements – Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).

 

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