L’évolution des communications en milieu industriel

Les applications industrielles automatisées ont depuis 20 ans évolué. Il y a moins de 10 ans, la connexion entre chaque élément d’un système industriel était entièrement réalisée avec une multitude de câbles, où chacun véhiculait une information unique.

De nos jours, les communications des applications industrielles sont de plus en plus réalisées avec des réseaux. Cette catégorie de réseaux locaux industriels est appelée réseau de terrain, car plus proche de la machine, plus proche du terrain. Dans ce cadre, l’objectif d’un réseau (« système de communication ») est d’assurer la communication entre les équipements liés au processus de fabrication (capteurs, actionneurs, machines, ...) et leur contrôle. Le développement des réseaux de terrain est lié aux paramètres suivants :

• Le bus de terrain permet de réaliser des entités de communication pour un coût et un encombrement relativement faible par rapport aux organes dans lesquels ils devraient être intégrés.
• Le bus de terrain offre l’avantage d’une grande souplesse d’utilisation et de mise en œuvre, et permet de réduire le coût global de possession pendant la durée de vie d'une application d'un système.
• Le bus de terrain crée une autre dimension en termes de distances. Si les domaines de transmission parallèle ou série se font dans un domaine d’une dizaine de mètres, le domaine des réseaux s’étend de 100 m à 5 km.
• Le bus de terrain permet de connecter jusqu’à plusieurs centaines d’abonnés. De plus, plusieurs bus de terrain peuvent être connectées sur un système. Le bus de terrain tend à devenir la solution technologique permettant de connecter une gamme de produits simples ou sophistiqués nécessitant une harmonisation des interfaces de connexions.
• Le bus de terrain permet de prendre en compte les cas d’architecture critiques dans lesquelles les échanges sont réalisés par l’intermédiaire de variables qui sont partagées utilisées par l’ensemble des abonnées du bus.
• Le bus de terrain permet de véhiculer d’avantage d’informations et de mettre ces mêmes informations à la disposition de tous les organes qui en ont besoin. Grâce à ses fonctionnalités étendues, il permet à différents appareils d'interopérer entre eux.
• Le bus de terrain permet de changer et d'adapter les configurations dans les applications ou le processus de fabrication est très long (plusieurs mois à plusieurs années). Il permet de configurer certains organes à distance.

Toutefois, l’utilisation d’un bus de terrain ne doit en aucune manière se faire au détriment des durées de transfert de l’information. En outre, l’information transmise doit être fiable et sûre. Des approches, privilégiant différents aspects, ont conduit à des architectures de bus de terrain différentes.

1 Réseaux et transmission d’informations

1.1.            Les réseaux de terrain dans un système de communication

Les communications par bus de terrain couvrent les deux niveaux inférieurs d’un système de communication à l’intérieur du système de contrôle global d’une entreprise. La figure ci-après précise le schéma de communication global d’une entreprise.

Figure  : Bus de terrain et communication globale

• Factory level : niveau usine
• Cell- level : niveau cellule
• Field level : niveau terrain

Les communications au niveau cellule se font typiquement d'une part, entre les contrôleurs niveau cellule et les organes de contrôle subordonnés et d’autre part, entre les automates et autres organes.

Au niveau des capteurs/actionneurs, le flot d’informations est généralement "vertical" c’est à dire entre automates et capteurs / actionneurs.

Le système de transmission de données doit permettre un transfert fiable et efficace des informations dans un environnement imparfait. Une intégrité des données élevée et une transmission à haut débit sont bien souvent des propriétés contradictoires. Dans ce cas, l’accroissement des exigences concernant l’intégrité ne peut être obtenu qu’aux dépends d’une réduction du débit réel des informations. De ce fait, les exigences concernant la vitesse de transmission et l’intégrité des données doivent être choisies de façon cohérente avec la précision de ce système.

 

1.2.            Réseaux et architecture protocolaire : Le modèle de référence OSI réduit

Le modèle OSI (Open Systems Interconnection) est un modèle de référence pour l’interconnexion des systèmes ouverts. Il constitue un modèle de référence pour élaborer les normes d’interconnexion et de coopération de systèmes répartis. Le modèle OSI définit une architecture en plusieurs couches et est applicable à toutes les catégories de réseaux. Un système est dit ouvert lorsqu’il permet la communication entre équipements de différents types respectant les règles de communication dans un environnement OSI.

Pour les systèmes de transmission qui exigent des temps de réaction particulièrement courts (sur des réseaux présentant des largeurs de bandes de transmission réduites), une architecture à performance améliorée (EPA) a été conçue. Les trames basées sur cette architecture utilisent seulement 3 couches, c’est-à-dire la couche physique, la couche de liaison de données et la couche d’application. Les protocoles qui sont basés sur ce modèle de référence EPA sont définis dans la série des NF EN 60870-5.

Figure  : Les bus de terrain dans le modèle OSI

Les réseaux de terrain sont basés sur une architecture protocolaire, orientée généralement sur le modèle de référence OSI (Open System Interconnection), modèle qui est composé de 7 couches.

 

Dans les applications de sécurité, la transmission de l’information doit être sécurisée. Cette notion de sécurisation revêt deux aspects : intégrité de l’information transmise ; durée de transmission de l’information.

1.3.            Mesures de la qualité d’une transmission d’information

Le but fondamental de la fonction de communication, dans la surveillance et la conduite de processus, est d’arriver à la cohérence maximale du système, c’est-à-dire cohérence entre l’état physique d’un processus et son image dans la base de données du système de transmission.

Dans les systèmes numériques, l’échange des informations est effectué de manière numérique par une succession de « 0 » et de « 1 ». Dans les environnements perturbés (perturbations électromagnétiques, différences de potentiel entre terres, vieillissement des composants, etc.), cette succession de niveaux logiques peut être modifiée.

La transmission de données doit s’effectuer de manière correcte en présence de conditions d’environnement sévères. Il est donc nécessaire d’assurer une protection efficace des messages contre :

• Les erreurs non détectées (sur les éléments binaires et sur les trames),
• Les pertes non détectées d’informations,
• La prise en compte d’informations intempestives (simulation de message par des parasites, etc.),
• La séparation ou la perturbation d’informations cohérentes.

1.3.1.      Transmissions d’informations et classes d'intégrité

L’efficacité et le niveau d’intégrité d’un système de codage sera comparé aux classes d'intégrité définies dans la norme NF EN 60870-5-1, norme relative aux systèmes de sécurité de contrôle-commande à distance.

La norme NF EN 60870-5-1 donne des exigences en termes de taux d'erreurs résiduelles ou probabilité d'erreur résiduelles. Cette notion, qui est proche de celle du taux de détection d'erreur, en est différente toutefois puisqu'elle consiste à "comptabiliser" les erreurs résiduelles. Dans le cas des transmissions d’informations trois caractéristiques doivent être prises en compte : la qualité de la transmission ; la longueur variable de la trame ; les délimiteurs de la trame.

• La qualité de la transmission fait intervenir une « probabilité d’erreur sur les éléments binaires ».
• La longueur variable de la trame nous conduit à calculer un taux de couverture prenant en compte les différents cas possibles.
• Les délimiteurs de la trame sont les informations de début et de fin de trame qui permettent de « synchroniser » les échanges.

La norme NF EN 60870-5-1 définit trois classes d'intégrité de transmissions (Cf. Figure  : Classes d'intégrité liées au canal de transmission). Cette figure donne une représentation graphique de l'intégrité de la transmission en fonction de trois paramètres :

• probabilité d'erreur sur les éléments binaires,
• distance de Hamming « d » d’un code,
• taux d'erreurs résiduelles R,

Ces courbes définissent les limitations supérieures de probabilité d'erreurs résiduelles (ou taux d'erreurs résiduelles R) en fonction de la probabilité d'erreur sur les éléments binaires. Ces courbes s'arrêtent à un taux d'erreur sur les éléments binaires p = 0,5 qui correspond à une réception d'éléments binaires aléatoires (réception de bruit sans signal). La pente des courbes pour p < 10^-4 représente la distance de Hamming "d" du code utilisé.

Trois classes d’intégrité des données I1, I2 et I3 ont été établies pour la transmission de données. L’utilisation de chaque classe dépend de la nature des données.

Figure  : Classes d'intégrité liées au canal de transmission

La qualité des voies de transmission (définissant la probabilité d'erreur sur éléments binaires) doit être surveillée afin de s’assurer d’une limite inférieure acceptable pour la probabilité d’erreurs sur les éléments binaires.

1.3.1.1.Probabilité d'erreur sur les éléments binaires

Cette protection doit intégrer les caractéristiques physiques de la transmission de l’information à savoir :

·      La source qui produit le message à transmettre.

•  L’émetteur qui met le signal à transmettre à un niveau défini (électrique, optique, ...).
• Le canal de transmission qui assure le transport de l'information.
• Le récepteur qui convertit les informations en message.

·      Le destinataire qui traite le message reçu.

Les sources, destinataires et lignes de transmissions sont les bases des problèmes de la transmission. La résolution de ce problème consiste à choisir l’émetteur et le récepteur. Dans le cas de transmissions sans canaux, les problèmes de transmission sont négligeables, il en va autrement dans le cas des communications avec canaux de transmission. En effet, en raison des perturbations présentes sur le canal de transmission, l'information fournie au destinataire n'est pas toujours identique à l'information fournie par la source. Il apparaît des erreurs de transmission qui sont définies sous le vocable « taux d'erreurs sur bits - TEB ». La qualité de la transmission est d'autant meilleure que ce taux TEB est faible. La qualité de la transmission se mesure à l’aide de la probabilité d’erreur sur élément binaire.

Le signal reçu R(t) est la somme du signal émis et du bruit perturbant la transmission R(t) = S(t) + N(t). (N(t) étant le bruit blanc gaussien).

La probabilité d'erreurs par élément binaire (ou taux d'erreur sur élément binaire - TEB) est une caractéristique de la transmission. Ce TEB est identique à la probabilité d'erreur moyenne. Il s'agit du rapport de l'énergie par bit sur la densité du bruit .

De façon expérimentale, le TEB est défini par le rapport du nombre de bits erronés après démodulation et décodage sur le nombre de bits transmis pendant un intervalle de temps donné.

Une liaison de mauvaise qualité à un TEB de l'ordre de 10^-4 pour une liaison téléphonique et 10^-7 pour une transmission de données.

1.3.1.2.Codage et distance de Hamming

Un premier moyen permettant de définir l’efficacité d’un système de codage pour la sécurisation de la transmission est la « distance de Hamming ». Cette distance permet d’étudier la ressemblance entre deux mots de même longueur. Cette distance est un filtre plus ou moins efficace qui laisse cependant passer des « erreurs » lors de la transmission. Ces « erreurs » peuvent être quantifiées au moyen d’une mesure : le taux d’erreurs résiduelles.

Le codage a pour objectif de détecter et de corriger les erreurs de transmission. Le choix du code détecteur / correcteur se fait à partir de la minimisation de la distance entre signaux modulés et codés. Cette distance est la distance de HAMMING. Ce paramètre permet de caractériser une plus ou moins grande ressemblance entre deux mots de même longueur. Cette distance peut être définie comme étant le nombre de bits par lesquels les deux mots diffèrent. La distance de HAMMING est une fonction de la technique de codage utilisée et de la longueur des mots.

soient deux mots :

La distance de HAMMING binaire d_H(C_i, C_j) entre deux mots de code binaires C_i, C_j est définie comme étant le nombre de bits par lesquels deux combinaisons diffèrent.

Elle est définie comme le poids de HAMMING du mot C_i  C_j somme faite composante à composante (nombre de bits égaux à « 1 » de cette somme). La distance de HAMMING d(u,v) de ces deux mots est calculée en faisant la somme arithmétique des sommes modulo 2 des digits de même rang pris deux à deux.

Par exemple : d(u,v) avec

d(u,v) = 2 car il y a deux digits différents (2 et 4).

La distance de HAMMING minimale est le nombre minimal d'inversion de bits nécessaires pour qu'un mot de code devienne un autre mot de code. Sans codage, cette distance est de "1", pour le codage par parité, cette distance est de "2".

Afin de calculer le taux d'erreurs résiduelles à l'aide de formules données dans la norme NF NF EN 60870-1 et ceci pour des formats de trame bien définis et pour des codages particuliers, il nous faut connaître la distance de HAMMING et la distance minimale de HAMMING.

Une distance de HAMMING minimale d'un système de codage C(N, K) linéaire est définie par :

avec : w_H le nombre de mots de code de poids H, w_H caractérise la capacité du système de codage à détecter les erreurs et permet de caractériser les performances du code.

Cette distance minimale de HAMMING est spécifique à chaque code détecteur d’erreur. Pour connaître cette distance minimale de HAMMING, il existe deux solutions :

·      Soit choisir les formats de trame normalisés définis dans la norme NF EN 60870-5-1.

·      Soit calculer par itération cette distance en fonction du code choisi et de la longueur de la trame. C'est cette solution qui sera retenue par la suite afin de définir la distance de minimale HAMMING spécifique au code C.R.C. et à l'organisation de la trame de séquence d'information.

Pour des codes de type BCH et CRC, w_m est approximé de la façon suivante pour md_min:

Un code linéaire C(N, K) de distance minimale d_min peut corriger avec un décodage binaire à maximum de vraisemblance toute configuration de "t" erreurs telle que d_min2.t+1.

Le code peut également détecter toute configuration de "m" erreurs telle que d_minH+1 et simultanément corriger toute configuration de tH erreurs telle que d_minH+t+1

1.3.1.3.Taux d'erreurs résiduelles

Pour mesurer les caractéristiques d'un réseau de transmission en termes de pouvoir de détection d'erreurs, il faut intégrer au taux de détection d'erreur, la probabilité d'apparition des erreurs. Le résultat calculé se nomme "le taux d'erreurs résiduelles".

La notation (n,j) ci-après est conforme à celui de la norme NF EN 60-870-1. Dans ces conditions, et avec les hypothèses du paragraphe suivant pour un codage de type C.R.C. nous obtenons :

Probabilité d'apparition de m erreurs parmi N éléments binaires

Dans cette mesure, on ne parle plus de taux de détection d'erreurs, mais de probabilité pour qu'il y ait "1, 2, ...m" erreurs. Le calcul de cette grandeur fait intervenir la probabilité d'obtenir "m" erreurs (m=1, 2, 3, ...) parmi "N" symboles (bits) .

Dans le cas d'un canal binaire symétrique sans mémoire ou la perturbation est un bruit d'origine thermique (bruit blanc gaussien - cas des réseaux de transmission) nous obtenons :

Le nombre de combinaisons est calculé à l’aide de la formule suivante :

Lorsqu'un code C(N, K) de distance de HAMMING d_min est utilisé en détection d'erreurs, il est en mesure de détecter toutes les configurations d'erreurs qui conduisent à un mot reçu différent du mot de code (c'est-à-dire les configurations d'un poids inférieur à d_min).

En considérant les configurations d'erreurs de poids donné comme équiprobables, la probabilité d’obtenir une configuration d'erreur de poids m  d_min soit un mot de code est donnée par

Or,

D'ou, R =  (ratio de la somme des erreurs non détectées sur l'ensemble des cas possibles).

soit encore

Le code CRC (Cyclic Redundancy Check) interdisant certains types d’erreurs correspondant à la distance minimale de HAMMING entre deux trames, nous obtenons la formule générale suivante :

 

Efficacité du système de codage

Afin de s'assurer de l'intégrité de la transmission en termes de contenu de l'information, et afin de détecter et/ou de corriger les erreurs de transmission, des techniques consistant à introduire une redondance dans le message à transmettre (au niveau de l'émetteur) sont implémentées.

Le codage d’un signal permet d’adapter ce signal en fonction du support physique du canal de transmission. Ce codage prend en compte la bande passante du canal et le rapport signal à bruit.

La conception d’un système de transmission doit donc faire intervenir deux paramètres :

• la modulation,
• le codage correcteur.

Le codage transforme un mot binaire M_i de K symboles {m_i,k} en un mot binaire C_i de N symboles {c_i,n} appelé mot de code. Le codeur introduit une redondance qui se traduit par une augmentation du débit des symboles entre l’entrée M_i  et la sortie du codeur C_i. Le codeur établit une correspondance entre les symboles en sortie du codeur et les signaux transmis. Dans le cas de notre étude, les symboles en entrée et en sortie sont binaires.

Le contrôle d'intégrité de la transmission est réalisé d'une part en vérifiant le format de la trame et d'autre part en contrôlant l'exactitude de la clé de vérification. Le contrôle de format est constitué de la vérification des délimiteurs et du nombre de bits attendus dans la trame.

Il existe plusieurs clés de vérification, qui permettent d'améliorer la sécurité de la transmission par l'introduction d'une redondance dans la trame émise. Au niveau du récepteur, il suffit alors de vérifier si la loi de codage utilisée à l'émission est satisfaite. Ce codage permet donc de détecter les erreurs de transmission.

Les erreurs prises en considération sont :

• Les erreurs s'inscrivant dans les données d'informations.
• Les erreurs s'inscrivant dans la clé de vérification.
• Les erreurs sur les délimiteurs et sur le nombre de bits constituant la trame.

L'efficacité du code caractérise le nombre d’informations supplémentaires non utiles aux paramètres transmis mais nécessaires pour garantir son intégrité. Cette efficacité correspond au rapport du nombre de bits de données transmis correctement sur le nombre de bits total constituant le mot de code ou la trame :

 

avec :

• k = nombre d'éléments binaires d'informations par trame,
• q = probabilité de recevoir des éléments binaires corrects,
• n = nombre total d'éléments binaires par trame, y compris les délimiteurs de trame et les éléments binaires.

1.3.2.      Temps de réponse d’un système de communication

Un autre paramètre caractéristique de la transmission d'information est la durée entre l'instant ou l'information est envoyée et celle ou l'information est exploitée. Selon la nature des messages (suivi de l'évolution d'un paramètre, arrêt d'un cycle, ...), et selon les types de réactions, les durées doivent être bornées.