CH2 : LE PROTOCOLE

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CH2 : LE PROTOCOLE

Principes & applications à la gestion

d’énergie

(2)

PLAN :

 1 - Présentation

 1.1 – Objectifs

 1.2 – Exemple d’application

 1.3 – Types de données

 1.4 – Principales fonctions

 2 – Supports de Communication

 2.1 – RS232

 2.2 – RS485

 2.3 – Ethernet

 2.4 - Synthèse

 3 – Description des échanges

 3.1 principe

 3.2 Trames Modbus RTU

 3.3 Trames Modbus TCP

 Conclusion

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1 - PRÉSENTATION

 1-1 – Objectifs



Faire ……….. entre eux différents équipements d’automatisme (automates, variateurs, IHM…)



Echanger des données sous formes de ……… et de ……….



Groupe Schneider / Merlin Gerin / Télémécanique (Modicon à l’époque) à l’origine du projet



Système de communication basé sur une liaison série



Exemple :

Affichage état de l’état

fonctionnement

Ordres de pilotage Liaison Modbus

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 1-2 – Exemple d’application

L’architecture suivante permet la supervision d’une installation de production d’électricité photovoltaïque. Elle est composée de :

 4 capteurs de courants DC permettant de mesurer les courants produits par chacune des 4 chaînes (panneaux en série) composant l’installation.

 Un contrôleur Wago 750-849, muni d’une carte 8 entrées TOR utilisée pour relever l’état des disjoncteurs de l’installation, et d’une carte de liaison série RS485 permettant de lire l’état des capteurs via le réseau Modbus.

 Un compteur d’énergie communicant Schneider IEM3150 permettant de relever les paramètres électriques (notamment la puissance produite par l’installation) côté alternatif (en sortie de l’onduleur)

 Un écran tactile Schneider permettant de superviser le système : visualisation des courants, de la puissance produite, de l’état des disjoncteurs,

acquittement d’alarmes etc…

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Réseau Ethernet

IHM : Ecran Tactile HMIGTU

@IP : 192.168.0.100

Automate Wago 750-849

@IP 192.168.0.101 - Carte 8 E TOR - Carte RS485

Compteur Energie iem3150

@ esclave : 5

 Synoptique de l’installation :

Liaison RS485**

Capteur Courant 1 Capteur Courant 2 Capteur Courant 3 Capteur Courant 4

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 1-3 – Types de données



4 types de données sont définis par le protocole:

Type d’objet

Accès Exemples

………….. Bit R - entrées TOR

- Fin de course

- Contact auxiliaire de disjoncteur

………... Bit R/W - Sorties TOR

- Bit interne

- RAZ d’un compteur d’énergie

………… Mot R - Entrées analogiques

- Lecture d’un capteur

…………. Mot R/W - Sorties analogiques

- Variable d’un programme (ex:

temporisation, opérande d’un calcul…) - Valeur de paramétrage d’un

équipement (ex : consigne de vitesse d’un variateur…)

 Les données d’un équipement sont identifiées par des adresses codées sur

………

(7)

 Extrait de documentation du compteur d’énergie (1) :

(8)

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Les fonctions Modbus permettent à des équipements d’échanger ces différents types de données :

Code Fonction Description

1 Lecture de bits (coils)

2 Lecture de bits d’entrée (discret inputs)

3 Lecture de mots (holding registers)

4 Lecture de mots d’entrée (input registers)

5 Ecriture de 1 bit

6 Ecriture de 1 mot

15 Ecriture de n bits

16 Ecriture de n mots

Exemples (installation ventilation du §1.2) :

• Fixer la vitesse de rotation d’un ventilateur : ……….

• Relever les mesures du compteur d’énergie : ………

• Afficher l’état des disjoncteurs : ………..

 1-4 – Principales Fonctions

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 Extrait de documentation du compteur d’énergie (2) :

 Extrait de documentation du capteur de courant :

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 Extrait de

documentation

de l’automate :

(13)

 Fonctions de Lecture (Code 1 – 2 – 3 – 4) :

• Permettent de lire une ou plusieurs données consécutives dans le plan mémoire de l’esclave

• Chaque fonction permet d’accéder à 1 type de donnée différent :

 Bit de sortie (« coil ») : Fonction 1

 Bit d‘entrée (« discret input ») : Fonction 2

 Mot ou registre mémoire (« holding register ») : Fonction 1

 Mot d’entrée (« input register ») : Fonction 1

• On doit donc indiquer à quelle adresse la lecture doit débuter, et combien de données on souhaite lire :

Code Adresse de départ Qtté

1,2,3 ou 4 De 0 à 65535 De 0 à 2000

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 Exemple 1 : Lecture du courant dans le capteur 3

 Exemple 2 : lecture de la puissance active totale

dans le compteur d’énergie

(15)

 Exemple 3 : lecture de l’état des disjoncteurs dans le contrôleur Wago

L’installation comporte 5 disjoncteurs reliés aux 5 premières entrées TOR de la carte correspondante de l’automate :

 Q0 : Disjoncteur tripolaire amont de l’onduleur => entrée %IX0.0

 Q1 : Disjoncteur électronique DC unipolaire => entrée %IX0.1

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 Exercice : Ecrire la fonction de lecture, et ses paramètres,

permettant la lecture des courants débités par les 3 phases de l’onduleur

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 Fonctions d’écriture (Code 5-6) :

• Permettent d’écrire une donnée dans le plan mémoire de l’esclave :

 Bit de sortie (« coil ») : Fonction 5

 Mot ou registre mémoire (« holding register ») : Fonction 6

• On doit donc indiquer à quelle adresse on souhaite écrire, et la valeur à écrire :

Code Adresse Valeur

5 De 0 à ….. ……….

6 De 0 à ….. De 0 à 65535

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 Exemple : Activation du voyant d’alarme (%QX0.0) depuis l’écran de

supervision sur l’automate Wago 750-849

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 Exercice :

Définition, depuis l’écran de supervision, d’un seuil d’alarme (de puissance en sortie de l’onduleur) contenu dans le mot %MW0 de l’automate sur l’automate Wago 750-849. La valeur à écrire sera 5000.

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 Fonctions d’écriture (Code 15-16) :

• Permettent d’écrire plusieurs données consécutives dans le plan mémoire de l’esclave :

 Bit de sortie (« coil ») : Fonction 5

 Mot ou registre mémoire (« holding register ») : Fonction 6

• On doit donc indiquer à quelle adresse on souhaite débuter l’écriture, le nombre de valeur à écrire, et le nombre d’octets correspondant (!) :

Code Adresse de départ

Qtté Nb

d’octets

Valeurs à écrire (1)

Valeurs à écrire (2)

Valeurs à écrire(n) 15 De 0 à

65535

0 à 2000 Qtté / 8 1

^er

paquet de 16 bits

2° paquet de 16 bits

… 16 De 0 à

65535

0 à 128 Qtté x 16

1

^er

Mot 2° Mot …

(21)

 Exercice :

• Rechercher sur internet la documentation du compteur d’énergie Schneider IEM3150

• Trouver le registre permettant de définir la fréquence nominale du réseau électrique de l’installation

• Ecrire la fonction (et ses données de paramétrage) permettant de fixer celui-ci à 50 Hz

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2 – SUPPORTS DE COMMUNICATION

 2.1 - RS 232

 Liaison Point à Point

 3 Fils minimums : Emission (Tx) – Réception (Rx) – Masse/référence commune (Gnd)

 Niveaux de tension ………..

 D < ………….

Esclave Maître

‘0’ ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘1’ ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘1’

+12V

-12V

V

_rs232

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

Connectique :

(24)

 2.2 - RS 485

 Liaison Multipoints (jusqu’à 63 esclaves en Modbus)

 2 Fils minimums : D0 – D1

 Transmission différentielle (Niveaux de tension 0V/5V)

 D < 120m (1000m avec répéteurs)

Esclave n°1 Maître

Esclave ... n° i

‘0’ ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘1’ ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘1’

+5V

0V

V

_D0

(25)



Connectique :

(26)

Comparaison RS232 / RS 485 :

(27)

 Dans tous les cas (RS232 et RS485), on doit définir les paramètres de la communication considérée, et vérifier que le paramétrage soit identique sur toutes les stations :

 Débit binaire (« Baudrate ») : Egalement appelé « vitesse de transmission », Il s’exprime en Bauds (Bds) et correspond au nombre de ………

Par défaut, le débit est de 19200 Bds en Modbus. Autres débits usuels : 1200 Bds, 2400 Bds, 4800 Bds, 9600 Bds.

 Parité (« Parity ») : Bit de contrôle insérer à la fin de chaque octet transmis vérifiant, selon le paramétrage choisi, que le nombre de bits à ‘1’ dans l’octet est

……….

Le contrôle de parité peut aussi être désactivé (« none »)

 Bit(s) de stop : Un bit de Start à ‘0’est inséré au début de chaque octet à transmettre. L’utilisateur peut également paramétrer 1 ou 2 bits de STOP (à ‘1’) à la fin de celui-ci.

 Contrôle de flux : Matériel (utilisation des signaux RTS/CTS supplémentaires), logiciel ou aucun. Cette dernière valeur sera choisie par défaut.

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 Paramétrage de la liaison série du compteur d’énergie :

 Paramètres (fixes) de la

liaison série des capteurs

de courant :

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‘0’

+5V

0V

V

_RS485

 Exemple : L’octet d’adresse du capteur 3 sur la liaison RS485

 …………..

 ………...

 ………….

‘0’ ‘0’ ‘0’ ‘0’ ‘0’ ‘0’ ‘1’ ‘1’ ‘0’ ‘1’

…

… …

(30)

‘0’

+5V

0V

V

_RS485

 Exercice : La valeur 254 sur la même liaison RS485 :

-5V

Durée

bit = …

(31)

‘0’ ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘1’ ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘1’

+2V

-2V

V

_rx+

 2.3 - Ethernet

 Liaison Multipoints

 4 Fils minimums (2 paires Rx/Tx)

 Transmission différentielle (niveaux +/-2V) + codage manchester

 D < 100m

(32)



Connectique (câble rj45 100 base T):

 2.4 - Synthèse

 RS232 : Limité à 2 équipements et aux courtes distances.

 RS485 : Solution industrielle, bonne immunité aux parasites em, choix pour les connexions dans le TGBT.

 Ethernet : Lien vers la supervision

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3 – DESCRIPTION DES ECHANGES

 3-1 – Principes



Un échange Modbus est également appelé transaction



Une transaction est composée d’un couple

………



Un réseau Modbus est composé d’un ……… et d’un ou plusieurs ………



Le maître est le seul à pouvoir émettre des requêtes



Les esclaves répondent au maître



Le protocole Modbus définit la composition des trames de

requêtes et de réponse

(34)

 3-2 – Trames Modbus RTU



La variante RTU de Modbus est la forme la plus utilisée sur lignes séries (RS485 et RS232)



Une trame Modbus RTU comporte les champs suivants :

 Rq les trames sont généralement présentées en format hexadécimal

 Adresse : ………..

 Code fonction : définit le ……… (cf § 1.4)

 Données : contient les ………. Pour une lecture : adresse et nombre de données à lire. Pour une écriture : adresse, nombre de valeurs et valeurs à écrire.

 CRC : champ de ………

Adresse Code Fonction

Données CRC

1 octet 1 octet N octets 2 octets

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Adresse Code Fonction Données CRC

1 octet 1 octet N octets 2 octets

Adresse Code Fonction Données CRC Idem requête Idem requête N octets 2 octets

Adresse Code Fonction Données CRC

1 octet 1 octet N octets 2 octets

Adresse Code Fonction D’exception

Code d’exception CRC

Transaction sans erreur :

Transaction avec erreur : Maître

Maître Maître

Esclave

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o Lecture du courant 2 :

o Réponse (I2 = 21 A) :

@

Modbus Code Fct Adr 1^er bit Qtté CRC

… … …. … XX XX

@

esclave Code Fct Nb octets Valeur lue CRC

… … … 9102 XX XX

(37)

o Lecture du courant 3 :

o Réponse (I3=43 A) :

o Lecture du facteur de puissance en sortie de l’onduleur :

 Exercices :

(38)

+5V

0V

V

_Diff

o Tracez le chronogramme de la tension différentielle correspondante sur la liaison RS485 (19200 Bds) :

o Écrire, en binaire, l’ensemble des bits transmis pour le 1° octet de la trame précédente (parité paire, 1 bit de stop) :

-5V

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 3-3 – Trames Modbus TCP



Le protocole Modbus TCP permet l’encapsulation de trames Modbus dans les trames Ethernet :

Adresse Code Fonction Données

1 octet 1 octet N octets

En-tête Ethernet

En-tête IP En-tête TCP Données CRD

22 octets 12 octets 24 octets 255 octets max 4 octets

En-tête Modbus

6 octets

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