Soutenance mémoire
À eau et à vapeur : XIXème siècle
Plusieurs types d’énergies ont été adaptés aux appareils de levage, la force hydraulique et la vapeur. Une machine à vapeur actionnait le câble par l’intermédiaire de poulies, ainsi l’être humain n’a qu’à actionner le système par une manette pour soulever les charges.
Elisha Graves Otis : 1853
En 1853 l’américain Elisha Graves Otis, maître mécanicien, invente le système de sécurité destiné à retenir les monte-charges en cas de rupture de câble, cela à permet de rendre possible le développement du transport vertical des personnes. En mars 1857, l’inventeur installe le premier appareil à usage public dans le magasin de porcelaine E.U Haughtwout et cie, haut de cinq étages. D’une capacité de 500 Kg, et activé par une machine à vapeur, il atteint la vitesse de 0.2 m/s.
Les réseaux locaux
Définition d’ un réseau
Un réseau est un ensemble d’équipements (ordinateur, machine, circuit électroniques) reliés ensemble par des canaux électroniques de communication, qui leur permettent d’échanger des informations entre eux, Il existe plusieurs types de réseaux comme les réseaux industriels, informatiques, locaux
Un réseau local est un réseau situé dans une zone ou dans un environnement commun, ce réseau devient une partie d’un réseau étendu lorsqu’une liaison est établie (via modems, routeurs distants). Dans les réseaux industriels et tous particulièrement dans les ascenseurs, introduire un réseau intelligent pour la commande présente des avantages considérables: câblage réduit, simplicité de maintenance, distribution des commandes, supervision et traitement instantanée des erreurs.
Les applications informatiques sont de plus en plus utilisées dans les réseaux industriels, l’introduction de l’informatique dans les réseaux industriels a commencé depuis l`année 1970. Les liaisons séries deviennent de plus en plus le corps des réseaux industriels. En particulier le RS-232 (aussi appelé EIA RS-232C ou V.24) est une norme standardisant un bus de communication de type série sur trois fils minimum (électrique, mécanique et protocole) jusqu’ au milieu des années 2000. Ensuite, l`apparition du support RS485 grâce à ses performances considérables est devenu le plus utilisé.
La couche physique (Couche 1)
La couche physique s’ occupe de la transmission des bits de façon brute sur un canal de communication. Cette couche doit garantir la parfaite transmission des données (un bit 1 envoyé doit bien être reçu comme bit valant 1). Concrètement, cette couche doit normaliser les caractéristiques électriques (un bit 1 doit être représenté par une tension de 5 V, par exemple), les caractéristiques mécaniques (forme des connecteurs, de la topologie…), les caractéristiques fonctionnelles des circuits de données et les procédures d’ établissement, de maintien et de libération du circuit de données. L’ unité d’ information typique de cette couche est le bit, représenté par une certaine différence de potentiel.
La couche liaison de données (Couche 2)
Son rôle est un rôle de « liant » : elle va transformer la couche physique en une liaison a priori libre d’ erreurs de transmission pour la couche réseau. Elle fractionne les données d’ entrée de l’ émetteur en trames, transmet ces trames en séquence et gère les trames d’ acquittement renvoyées par le récepteur. Rappelons que pour la couche physique, les données n’ ont aucune signification particulière. La couche liaison de données doit donc être capable de reconnaître les frontières des trames. Cela peut poser quelques problèmes, puisque les séquences de bits utilisées pour cette reconnaissance peuvent apparaître dans les données. L’ unité d’ information de la couche liaison de données est la trame qui est composées de quelques centaines à quelques milliers d’ octets maximum.
La couche réseau (Couche 3)
C’ est la couche qui permet de gérer le sous-réseau, le routage des paquets sur ce sous-réseau et l’ interconnexion des différents sous-réseaux entre eux. Au moment de sa conception, il faut bien déterminer le mécanisme de routage et de calcul des tables de routage (tables statiques ou dynamiques…). La couche réseau contrôle également l’ engorgement du sous-réseau. On peut également y intégrer des fonctions de comptabilité pour la facturation au volume, mais cela peut être délicat. L’ unité d’ information de la couche réseau est le paquet.
Cette couche est responsable du bon acheminement des messages complets au destinataire. Le rôle principal de la couche transport est de prendre les messages de la couche session, de les découper s’ il le faut en unités plus petites et de les passer à la couche réseau, tout en s’ assurant que les morceaux arrivent correctement de l’ autre côté.
Cette couche effectue donc aussi le réassemblage du message à la réception des morceaux. L’ unité d’ information de la couche réseau est le message.
Transmission de données à travers le modèle OSI
Le processus émetteur remet les données à envoyer au processus récepteur à la couche application qui leur ajoute un en-tête application AH (« application header » éventuellement nul). Le résultat est alors transmis à la couche présentation. La couche présentation transforme alors ce message et lui ajoute (ou non) un nouvel en-tête (éventuellement nul). La couche présentation ne connaît et ne doit pas connaître l’ existence éventuelle de AH ; pour la couche présentation, AH fait partie des données utilisateur. Une fois le traitement terminé, la couche présentation envoie le nouveau « message » à la couche session et le même processus recommence. Les données atteignent alors la couche physique qui va effectivement transmettre les données au destinataire. A la réception, le message va remonter les couches et les en-têtes sont progressivement retirés jusqu’ à atteindre le processus récepteur.
Accès par multiplexage temporel
Le Time division multiple Access (TDMA) est un mode de multiplexage permettant de transmettre plusieurs signaux sur un seul canal. Il s’agit du multiplexage temporel, dont le principe est de découper le temps disponible entre les différentes connexions (utilisateurs). Par ce moyen, une fréquence peut être utilisée par plusieurs abonnés simultanément.
Cette technologie est par exemple utilisée dans la norme GSM, où chaque porteuse (canal physique) supporte huit intervalles de temps (time slot) attribués à huit communications simultanées. Dans le domaine militaire, la Liaison 16 est le principal moyen de communication utilisant cette technologie pour l’ échange sécurisé de données. TDMA désigne également une norme de téléphonie mobile basée sur cette technologie, également appelée IS-136 ou D-AMPS. Cette norme est utilisée par AT&T aux États-Unis.
Accès par CSMA/CA
Le protocole CSMA/CA utilise un mécanisme d’ esquive de collision basé sur un principe d’ accusé de réception réciproque entre l’ émetteur et le récepteur : La station voulant émettre écoute le réseau. Si le réseau est encombré, la transmission est différée.
Dans le cas contraire, si le média est libre pendant un temps donné (appelé DIFS pour Distributed Inter Frame Space), alors la station peut émettre. La station transmet un message appelé « Ready To Send » (ou Request To Send, noté RTS signifiant prêt à émettre) contenant des informations sur le volume des données qu’ elle souhaite émettre et sa vitesse de transmission. Le récepteur (généralement un point d’ accès) répond un Clear To Send (CTS, signifiant que le champ est libre pour émettre), puis la station commence l’ émission des données.
Nous allons parler en détails des deux protocoles Can et Modbus comme étant les réseaux utilisés parfois pour les transports d’informations dans les ascenseurs électriques de nos jours. On commencera par présenter une définition pour chacun et ensuite nous présenteront leur topologie.
Protocole Modbus
Définition
Le protocole modbus est un protocole de dialogue basé sur une structure hiérarchisée entre maître et plusieurs esclaves. Le protocole Modbus est utilisé pour les communications des automates programmables industriels et des variateurs de vitesse des moteurs électriques. ModBus est un Protocol d’application de la couche messagerie, localisée dans le niveau sept du model OSI.
Technologie de Câblage
La technologie de câblage du réseau CAN se rapproche de la structure simple ligne de manière à minimiser les effets de réflexion. La transmission des données s’effectue sur une paire par émission différentielle c’est à dire que l’on mesure la différence de tension entre les deux lignes (CAN H et CAN L). La ligne du bus doit se terminer par des résistances de 120 ohms (minimum 108ohms, maximum 132ohms) à chacune des extrémités. Un nœud du bus CAN exige pour son fonctionnement au sein du réseau, un microcontrôleur et un contrôleur CAN. Il est connecté à l’organe de transmission qui transforme les bits en tension « le Transceiver », par l’intermédiaire d’une ligne de transmission Tx et d’une ligne de réception Rx. Les tensions de référence d’alimentation du Transceiver sont de 5 volts.
Définition
RS232, RS422, RS423 et RS485 sont des méthodes de communications série pour les ordinateur et d’autres équipements. RS485 est le standard le plus variable dans les séries de standard EIA, car sa performance est excellente sur toutes les 4 points suivants :
1. Connexion du DTE directement sans l’intermédiaire d’un modem.
2. Connexion de plusieurs DTE par une structure de « Network ».
3. Possibilité de la connexion sur des longues distances.
4. Possibilité d’être connecterà de grandes vitesses.
C’est pour cela que le RS485 est actuellement une interface largement utilisée dans la communication, dans l’ acquisition des données et des applications de contrôle où plusieurs nœuds puissent communiqués les uns avec les autres. Dans les systèmes de communication des ascenseurs cette structure n’est pas utilisée malgré ca très grande flexibilité et performance. Cette structure sera le sujet de notre projet. Le réseau RS485 couvre la couche 4 du modèle OSI où ce réseaux peut avoir son propre protocole ce qui lui rend flexible.
La topologie du réseau RS485
La topologie du network RS485 est probablement la cause pour que le RS485 soit le plus favorable parmi les autres. Le RS485 est l’interface unique qui est capable d’interconnecter plusieurs transmetteurs et récepteurs dans la même structure. En utilisant un récepteur RS485 avec une résistance d’entrée de 12 KOhms, c’est possible de connecter 32 équipements dans la structure.
Signal différentielle
Un des problèmes principaux avec RS232 est l’ absence d’ immunité pour le bruit sur les lignes de signal. L’ émetteur et le récepteur compare les tensions des données négatives avec un seul signal de référence zéro. Les changements dans le niveau zéro peuvent avoir des effets désastreux. Par conséquent, le niveau de déclenchement de l’ interface RS232 est relativement élevé à ± 3 Volt. Le bruit est facilement capté et limite à la fois la distance maximale et la vitesse de communication. Mais en RS485, au contraire, il n’ y a pas une telle chose comme un zéro commun. Plusieurs différences de voltages dans le niveau zéro dans le transmetteur et le récepteur RS485 ne cause pas un problème. Les signaux RS485 circulent et sont transmis sur des lignes SIG+ et SIG-.
Le récepteur RS485 compare la différence du voltage entre les deux lignes, à la place du voltage absolu sur une seule ligne. Cela évite l’existence des boucles zéro ou l’information est perdu.
Fonctionnalité du RS485
Et maintenant la question la plus importante, comment fonctionne le RS485 en pratique? Par défaut, tous les expéditeurs sur le bus RS485 sont en tri-state avec une impédance élevée. Le terme « tristate » vient du fait qu’il existe un troisième état de sortie autre que le niveau 0 et 1. Dans la plupart des protocoles de niveau supérieur, l’ un des nœuds est défini comme un maître qui envoie des requêtes ou des commandes sur le bus RS485. Tous les autres nœuds reçoivent ces données. Selon l’information envoyée, zéro où plusieurs nœuds sur la ligne se trouve face au maître. Dans cette situation, la bande passante peut être utilisée presque à 100%. Il existe d’ autres implémentations de réseaux RS485 où chaque nœud peut démarrer une session de données seul.
Il n’ est pas nécessaire que les transmetteurs activent ou désactivent les conducteurs RS485, ils reviennent automatiquement à leur état de haute impédance pour quelques microsecondes après que les données ont été envoyées. Par conséquent, il n’ est pas nécessaire d’ avoir des délais entre les paquets de données sur le bus RS485.
Structure multi-ascenseurs ou Ascenseur duplex
La structure multi-maîtres(ou multi ascenseurs) se base sur le principe de la communication à deux sens entre les deux cartes principales où un de ces deux cartes doit jouer le rôle d’un maître et l’autre le rôle d’un esclave. On peut connecter un très grand nombre de cartes sur un même bus RS485. Les données passent par la carte master ayant l’adresse @1, cette dernière manipule les informations contenu dans le message et communique avec la carte ayant l’adresse @2. Comme chaque carte est liée avec une carte existante donc on a à manipuler la commande d’une manière que les deux ascenseurs n’exécutent pas la même commande et que les deux ascenseurs fonctionnant en duplex n’arrivent pas au même étage en même temps. Pour cela la carte 1 traite les données reçues, communique avec la carte @ 2 pour qu’elle vérifie son état et sa position, calcule son propre état, compare les deux états en même temps et exécute la commande : soit elle envoie la commande à sa propre carte existante ou bien elle donne la commande pour l’autre carte @ 2 en but de l’exécuter.
La comparaison se fait de la manière suivante : chaque carte @1 et @2 connait toujours et à n’importe quelle instant la position actuelle de son propre ascenseur. Lors d’une commande, la carte @1 reçoit l’information, exécute une comparaison entre la position de son ascenseur @1 et celui de @2 par rapport à la commande reçue des cartes secondaires. Si son propre unité et la plus proche il exécute la commande normalement sinon la commande est envoyée à la carte @ 2 pour l’exécuter.
La structure multi-maître est utilisée dans le cas où on a plusieurs ascenseurs installés dans un immeuble c’est le cas où l’utilisation de l’ascenseur est très sollicitée par exemple : les bâtiments commerciales, les immeubles résidentielles avec un très grand nombre d’étages.
Conclusion
Le support RS485 est un support qui va rendre le système de commande extérieur d’un ascenseur plus fiable, globale, sûre et présentable. Plus sûre car le système traditionnel est alimenté par une tension 110 VAC au lieu de 24VDC et n’ayant pas un système de backup lors de l’absence de l’électricité. Tandis que lorsque le support RS485 est appliqué, un simple système de batterie à 24 VDC avec un chargeur peut alimenter le système.
De plus la méthode de l’installation du système est plus efficace, facile et décoratif. Dans le chapitre suivant nous allons voir la réalisation matérielle et logicielle des cartes.
Fonctionnement du logiciel de la carte principale
Le logiciel de la carte principale est composé en boucles comme l’indique la fig.37 Boucle 1 : Initialisation où la carte principale effectue sa propre configuration. Elle commence à lire les entrées du port C (C0, C1, C2, C3) pour connaître le nombre total d’étage existant dans l’ascenseur, en notant que le réglage du « Rotary Switch » doit être fait manuellement comme l’indique la Fig.44, ensuite le microcontrôleur envois les messages d’activation pour les cartes secondaires, le « Rotary Switch » correspond a la configuration de chaque étage.
Boucle 2 : Cette boucle correspond au test du bouton maintenance si celui-ci est activé le microcontrôleur envoie un message général pour toutes les cartes secondaires déjà actives auparavant qui est « système Under maintenance »et si non il passe à la boucle 3.
Boucle 3 : Cette boucle correspond au test de la tension 24 VDC pour cela on a utilisé le port A.0 du PIC16F877A et la configuration convenable pour rendre cette entrée analogique pour contrôler ces variations, pour cela le registre ADCON0 et ADCON1 ont été modifiés pour valider le fonctionnement. Si la tension est inférieure à 20 VDC, le microcontrôleur envoie un message général pour toutes les cartes secondaires déjà actives auparavant qui est « Low voltage » si non il passe à la boucle 4.
Boucle 4 : c’est le corps du programme où le microcontrôleur se met en état de « STANDBY » en envoyant toujours les questions de demande d’état pour chaque carte secondaire.
Boucle 5 : une fois une commande est appliquée, le microcontrôleur manipule cette données suivant l’adresse convenable et applique une tension de 24 VDC sur la sortie convenable en notant que ces sorties sont les entrées de la carte existante. Chaque boucle contient des sous boucles qui s’exécutent progressivement. Généralement notant qu’une fois le microcontrôleur envoie toutes les messages et on n’obtient pas une réponse des cartes secondaires, il exécute les boucles 2, 3,5 en ainsi de suite. (Voir annexe F) en notant que l’annexe F est une partie du programme général.
Réalisation de la carte secondaire
Circuit imprimé
Le circuit imprimé de la carte est réalisé en utilisant le programme PCB Designer. La carte secondaire contient trois entrées du bus RS485 et ces mêmes entrées sont les sorties vers la carte secondaire suivante. En plus on a deux entrées du bouton poussoir et deux entrées d’alimentation 24 VDC.
Fonctionnement du programme global
La carte principale contient une sécurité sur les entrées 24VDC de la carte existante où nous avons utilisé la méthode du diviseur de tension à l’entrée analogique du port A du microcontrôleur 16F877A. Lors de la fluctuation de l’entrée 24VDC, le système arrête son fonctionnement pour assurer la sécurité d’utilisation et pour éviter n’importe quel danger (tension inferieur ou égale à 20 VDC).
De plus, sur le BUS RS485 circule des caractères. Chaque caractère correspond à un état ou à une réponse pour une question spécifique. Lors du démarrage du système la carte principale commence a exécuté son programme qui est en générale une initialisation propre et ensuite il exécute la validation de chaque carte secondaire. Il entre après dans la phase de commande d’état pour chaque carte secondaire déjà validée auparavant. A chaque exécution on a un délai pour éviter la collision ou les erreurs, chaque boucle est suivie d’un délai pour éviter la collision en sorte que le système supporte le maximum de cartes secondaires et peut exécuter plus que 32 commandes, de plus la méthode de « POLLING » minimise la collision.
La carte secondaire exécute lors du démarrage son initialisation et ensuite elle attend la validation venant du Bus RS 485. Lorsque la carte secondaire passe à l’état de validation elle attend la question de la carte principale. La carte principale envoie progressivement et répétitivement des questions sur l’état de chaque carte secondaire déjà enregistré automatiquement dans sa mémoire provenant du « Rotary Switch ».
Pour renforcer le facteur de sécurité de ce système nous avons implanté un bouton poussoir permettant de mettre le système en état de pause pour éviter aucun danger comme l’ouverture de la porte extérieure de l’ascenseur. Un simple affichage du message maintenance sur les LCD extérieurs permet de notifier l’utilisateur que l’ascenseur est en phase de maintenance
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Table des matières
Liste des abréviations
Problématique
Partie 1 : Partie théorique
Chapitre 1 : Introduction
1. Introduction
2. Éléments principaux
3. Historique
3.1 Treuil: 3000 avant J.C
3.2 Machines De Cirque : 236 avant J.C
3.3 Chaises Volantes : XVIIème ET XVIIIème siècles
3.4 À eau et à vapeur : XIXème siècle
3.5 Elisha Graves Otis : 1853
3.6 Fin du temps des pionniers et début du temps modernes
4. Types d’ascenseur
4.1 Ascenseur électrique
4.2 Ascenseur Hydraulique
5. Lois et normes en application
Chapitre 2 : Les réseaux locaux
1. Définition d’ un réseau
2. Introduction OSI
2.1 Les différentes couches du modèle
2.2 Transmission de données à travers le modèle OSI
3. Introduction aux Réseaux Locaux Industriels
3.1 Critères de comparaison entre RLI
3.1.2 Les critères stratégiques
3.1.2.1 Standards
5. Topologie générale des Réseaux
5.1 Topologie en étoile
5.2 Topologie en anneau
5.3 Topologie en Bus
5.4 Topologie en arbre
6. Accès aux réseaux
6.1 Accès par connexion
6.2 Accès par « polling »
6.3 Accès par multiplexage temporel
6.4 Accès par jeton sur anneau
6.5 Accès par CSMA/CD
6.6 Accès par CSMA/CA
7. Protocole Modbus
7.1 Définition
7.2 Trame D’échange question /réponse
8. CAN BUS
8.1 Définition
8.2 Principe et normes
8.3 Contrôleurs CAN
8.4 Longueur du bus CAN
8.5 Technologie de Câblage
Chapitre 3 : Support RS485
1. Définition
2. La topologie du réseau RS485
3. Signal différentielle
4. Fonctionnalité du RS485
5. Comparaison avec RS 232, RS 422, et RS 423
6. Connexion et Topologie
7. Conclusion
Partie 2 : Technique
Chapitre 1 : Connexion
1. Introduction
2. Carte existante
2.1 Constituants de la carte existante
3. La carte Principale
3.1 Constituants de la carte Principale
4. Les cartes secondaires
5. La Gaine ou la cage de l’ascenseur
6. Structure multi-ascenseurs ou Ascenseur duplex
7. Conclusion
Chapitre 2 : Réalisation
1. Introduction
2. Réalisation de la carte principale
2.1 Circuit imprimé
2.2 PCB de la carte Principale
2.3 Liste et prix des composants
2.4 Réalisation de la carte principale
2.5 Organigramme fonctionnel de la carte principale
2.6 Fonctionnement du logiciel de la carte principale
3. Réalisation de la carte secondaire
3.1 Circuit imprimé .
3.2 Liste et prix des composants
3.3 Réalisation de la carte secondaire
3.4 Organigramme fonctionnel de la carte secondaire
3.5 Fonctionnement du logiciel de la carte secondaire
3.6 Fonctionnement du programme global
3.7 Caractéristiques du Réseaux d’appels extérieurs
Chapitre 3 : Test et Validation
1. Introduction
2. Attente de la connexion avec la carte principale
3. Connexion au BUS
4. Attente de la commande de carte principale
5. Ascenseur en maintenance
6. Sécurité de la tension 24VDC
7. Position de l’ascenseur
8. Direction de l’ascenseur
9. Commande de l’ascenseur
Chapitre 4 : Étude du coût du système
1. Introduction
2. Étude du coût d’un ascenseur traditionnel
2.1 Analyse du coût pour l’installation du système d’appels pour un ascenseur à 10 étages
2.1.2 Durée de la main d’œuvre
2.1.3 Coût de la main d’œuvre
3. Étude de la réalisation du système en utilisant le support RS485
Chapitre 5 : Conclusion
1. Différence de coût entre le système RS485 et le système traditionnel
2. Simplicité de maintenance
3. Perspectives
4. Durée du projet
5. Conclusion
ANNEXES
Annexe A : MAX 485
Annexe B : Microcontrôleur PIC 16F877A
Annexe C : Régulateur LM7805
Annexe D : Régulateur LM7812
Annexe E: OPTO-COUPLEUR PC817
Annexe F
Annexe G
Bibliographies
Webographies
Liste des figures
Liste des tableaux
Résumé
Summary
Fin du Rapport
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