Systèmes multiplexés

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire le principe de fonctionnement des systèmes multiplexés utilisés dans les installations électriques industrielles et tertiaires au Cameroun. - Identifier les différents types de multiplexage (temporel, fréquentiel, codage) et leurs applications courantes (automatismes, réseaux de communication, éclairage intelligent). - Réaliser le diagnostic d’une panne sur un système multiplexé en suivant une démarche méthodologique (observation, mesure, interprétation des symptômes, remplacement ou réglage). - Appliquer les règles de sécurité spécifiques aux travaux sur les réseaux de communication et les bus de terrain (ISO 11898, IEC 61508). - Rédiger un compte‑rendu d’intervention conforme aux exigences du référentiel professionnel du Baccalauréat technologique série MAV. **Prérequis** : - Notions de base en électrotechnique (lois d’Ohm, de Kirchhoff, puissance). - Connaissances sur les composants actifs (transistors, circuits intégrés) et passifs (résistances, condensateurs, bobines). - Maîtrise de l’utilisation du multimètre numérique et de l’oscilloscope (bandes passantes adaptées aux signaux numériques). - Notions de sécurité électrique (habilitation B0, B1, B2) et de prévention des risques liés aux champs électromagnétiques. --- ## Introduction contextualisée Dans les installations modernes du secteur industriel camerounais (usines de transformation agroalimentaire, centrales hydroélectriques, bâtiments administratifs), la plupart des équipements sont pilotés par des systèmes de commande numérique. Pour réduire le câblage, améliorer la fiabilité et faciliter la maintenance, ces systèmes recourent au **multiplexage** : plusieurs informations sont transmises sur un même support physique (câble torsadé, fibre optique, bus CAN). Le technicien chargé de la maintenance doit donc savoir non seulement comment ces bus fonctionnent, mais aussi comment détecter et isoler une défaillance sans perturber le fonctionnement global. Le chapitre suivant présente les concepts théoriques indispensables, puis propose une activité d’intégration qui met l’élève en situation réelle d’atelier, conformément au référentiel MINESEC/IGE. --- ## I. Diagnostic des systèmes multiplexés ### 1. Principes du multiplexage Le multiplexage consiste à partager un canal de transmission entre plusieurs signaux. On distingue trois familles principales : | Type de multiplexage | Principe | Exemple d’application au Cameroun | |----------------------|----------|-----------------------------------| | **Temporel (TDM)** | Chaque signal occupe un créneau temporel successif. | Bus CAN utilisé dans les automates programmables des lignes de production de boissons. | | **Fréquentiel (FDM)**| Chaque signal est modulé sur une sous‑porteuse différente. | Liaison RF entre postes de commande et variateurs de vitesse dans les stations de pompage d’eau. | | **Codage (CDM)** | Chaque signal est affecté à un code orthogonal (ex. : spreading spectrum). | Liaisons sans fil industrielles (IEEE 802.15.4) utilisant le spreading spectrum pour la télémétrie de capteurs d’humidité dans les plantations de banane (Littoral). | > Le choix du type de multiplexage dépend du débit requis, de la longueur du câble et de l’environnement électromagnétique. ### 2. Architecture d’un bus multiplexé typique Un bus de terrain (ex. : CAN, Modbus RS‑485, Ethernet/IP) se compose de : - **Support physique** : paire torsadée blindée (UTP/STP) ou fibre optique. - **Couche physique** : niveaux de tension (ex. : CAN : 0 V = dominant, 5 V = recessif) ou modulation optique. - **Couche de liaison** : détection d’erreur (CRC), arbitrage (CAN), trame de début/fin. - **Couche application** : protocole de données (ex. : PDO CANopen, registres Modbus). > En environnement industriel camerounais, le câble blindé CAT5e/STP est privilégié pour résister aux interférences des moteurs asynchrones. ### 3. Symptômes typiques d’une panne sur un bus multiplexé | Symptôme | Cause probable | Méthode de vérification | |----------|----------------|--------------------------| | Perte intermittente de communication (trames perdues) | Mauvaise connexion, oxydation des connecteurs | Test de continuité, inspection visuelle, mesure de résistance de contact (< 10 mΩ). | | Tous les nœuds restent en état d’écoute (bus bloqué) | Court‑circuit entre les lignes (dominant‑dominant) | Mesure de tension différentielle avec oscilloscope ; recherche de point de court‑circuit par sectionnement. | | Trames corrompues (CRC erroné) | Bruit électromagnétique, longueur de câble excessive | Analyse du spectre avec analyseur de spectrum ; vérification de l’impédance caractéristique (120 Ω pour CAN). | | Un seul nœud ne répond pas | Défaillance du transceiver local ou de l’alimentation | Mesure de l’alimentation du nœud (24 V ± 10 %), test du transceiver avec un simulateur de bus. | > La première étape du diagnostic consiste toujours à isoler le secteur suspect en désactivant les terminaisons de bus (résistances de 120 Ω) et en mesurant la tension différentielle entre les deux lignes. ### 4. Démarche de diagnostic pas à pas 1. **Observation initiale** : noter les alarmes du SCADA, les voyants des automates, les rapports d’opérateurs. 2. **Vérification de l’alimentation** : contrôler la présence des tensions de bus (ex. : 24 V pour l’alimentation des transceivers) avec un multimètre en mode DC. 3. **Mesure de la tension différentielle** : placer l’oscilloscope en mode différentiel sur les lignes CAN‑H et CAN‑L ; chercher un niveau dominant stable (~0 V) et un niveau recessif (~5 V). 4. **Test de continuité et d’isolement** : débrancher le bus, mesurer la résistance entre chaque ligne et la masse (doit être > 1 MΩ). 5. **Insertion d’une charge de terminaison** : remettre les résistances de 120 Ω aux deux extrémités ; vérifier que le signal revient à ses niveaux nominals. 6. **Segmentation** : si le défaut persiste, couper le bus à mi‑longueur et tester chaque moitié séparément pour localiser la zone fautive. 7. **Remplacement/réparation** : remplacer le câble défectueux, nettoyer ou resserrer les connecteurs, changer le transceiver défaillant. 8. **Validation** : rétablir le bus, vérifier l’absence d’erreurs CRC pendant au moins 5 minutes de fonctionnement normal, consigner les résultats. > Toute intervention sur un bus sous tension doit être réalisée avec une habilitation B1 ou B2 et en portant des équipements de protection isolants (gants, lunettes). ### 5. Exemple chiffré : calcul de la longueur maximale d’un bus CAN La longueur maximale dépend du débit (bit rate) et de l’impédance caractéristique du câble. La formule simplifiée est : \[ L_{\max} = \frac{v_{prop}}{2 \times B} \] où : - \(v_{prop}\) = vitesse de propagation dans le câble (≈ 0,65 c pour un câble torsadé blindé, c = 3 × 10⁸ m/s). - \(B\) = débit en bits par seconde. Pour un débit de 500 kbps : \[ v_{prop} = 0,65 \times 3 \times 10^8 = 1,95 \times 10^8 \text{ m/s} \] \[ L_{\max} = \frac{1,95 \times 10^8}{2 \times 5 \times 10^5} = \frac{1,95 \times 10^8}{1,0 \times 10^6} = 195 \text{ m} \] > Ainsi, à 500 kbps, un bus CAN installé avec du câble STP CAT5e ne doit pas dépasser environ 195 m entre les deux terminaisons. Au-delà, il faut réduire le débit ou ajouter des répéteurs. --- ## II. Activités d’intégration ### 1. Mise en situation professionnelle L’élève travaille dans un atelier de maintenance d’une usine de transformation de cacao située à Douala. La ligne de torréfaction est pilotée par un automate programmable (PLC) relié aux variateurs de vitesse des convoyeurs via un bus CAN à 250 kbps. Lors du démarrage de la matinée, l’opérateur signale que le convoyeur principal ne démarre pas et que le voyant d’erreur du PLC indique « Bus OFF ». ### 2. Objectifs de l’activité - Appliquer la démarche de diagnostic décrite dans la partie I. - Utiliser les instruments de mesure disponibles (multimètre Fluke 87V, oscilloscope portable Tektronix TBS1052B, analyseur de bus CAN Peak‑CAN). - Rédiger un rapport d’intervention conforme au modèle du référentiel professionnel (observations, mesures, actions, conclusions). ### 3. Déroulement pas à pas (à réaliser par l’élève) | Étape | Action | Résultat attendu | |-------|--------|------------------| | 1 | Vérifier l’alimentation 24 V du bus (bornes du connecteur d’alimentation du PLC). | Tension stable entre 22 V et 26 V. | | 2 | Mesurer la tension différentielle CAN‑H / CAN‑L avec l’oscilloscope en mode différentiel. | Niveau dominant ≈ 0 V, niveau recessif ≈ 5 V, forme carrée nette. | | 3 | Contrôler la continuité des lignes (résistance ligne‑ligne ≈ 60 Ω avec terminaisons de 120 Ω en parallèle). | Valeur mesurée proche de 60 Ω (± 10 Ω). | | 4 | Rechercher un court‑circuit : mesurer résistance ligne‑masse (> 1 MΩ). | Toute valeur inférieure indique un défaut d’isolement. | | 5 | Isoler le segment défectueux en débranchant le connecteur intermédiaire et en répétant les mesures de chaque moitié. | La moitié présentant l’anomalie est identifiée. | | 6 | Remplacer le câble sectionné (longueur 12 m) par un neuf de même catégorie (STP CAT5e, 120 Ω). | Après remplacement, les mesures redeviennent normales. | | 7 | Réactiver le bus, vérifier l’absence de trames d’erreur pendant 5 min avec l’analyseur CAN. | Compteur d’erreurs à zéro. | | 8 | Rédiger le rapport d’intervention (voir annexe). | Rapport complet, signé, archivé. | > Lors de chaque manipulation, l’élève doit porter des gants isolants de classe 0 et vérifier que le secteur est hors tension avant de toucher aux connecteurs. ### 4. Annexe : modèle de rapport d’intervention (extrait) ``` Date : 03/11/2025 Atelier : Maintenance électrique – Usine de cacao, Douala Équipement concerné : Bus CAN ligne de torréfaction (250 kbps) Symptôme observé : Bus OFF, convoyeur principal à l’arrêt Mesures réalisées : - Alimentation 24 V : 24,3 V (OK) - Tension différentielle CAN‑H/L : dominant 0,1 V, recessif 4,9 V (OK) - Résistance ligne‑ligne (avec terminaisons) : 58 Ω (OK) - Résistance ligne‑masse : > 10 MΩ (OK) - Après sectionnement : moitié A – résistance ligne‑masse 0,2 Ω (défaut) Action corrective : Remplacement du câble défectueux (12 m, STP CAT5e) entre les nœuds 7 et 8. Vérification post‑intervention : Aucun erreur CRC pendant 5 min, convoyeur redémarré normalement. Conclusion : Panne due à une écrasure du câble provoquant un court‑circuit ligne‑masse. Technicien : Nom Prénom – Signature ``` --- ## Synthèse du chapitre - **Multiplexage** : partage d’un support physique entre plusieurs signaux (TDM, FDM, CDM). - **Bus de terrain courant** : CAN, Modbus RS‑485, Ethernet/IP ; structure physique (paire torsadée blindée), couches (physique, liaison, application). - **Symptômes de panne** : perte de trames, bus bloqué, trames corrompues, nœud muet. - **Démarche de diagnostic** : observation → alimentation → tension différentielle → continuité/isolement → terminaisons → segmentation → remplacement → validation. - **Formule de longueur maximale** : \(L_{\max}= \dfrac{v_{prop}}{2B}\) (ex. : 195 m à 500 kbps sur câble STP). - **Sécurité** : habilitation B1/B2, port d’EPI, mise hors tension avant toute manipulation sur les connecteurs. - **Documents à produire** : rapport d’intervention avec observations, mesures, actions, conclusions. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Multiplexage** | Technique permettant de transmettre plusieurs signaux sur un même canal de transmission en les séparant dans le temps, la fréquence ou par codage. | | **Bus CAN** | Réseau de terrain série à arbitrage par priorité, utilisé largement dans l’automobile et l’automatisme industriel (ISO 11898). | | **Terminaison de résistance** | Résistance de 120 Ω placée aux deux extrémités d’un bus CAN pour adapter l’impédance et éviter les réflexions de signal. | | **Trame** | unité de donnée transmise sur un bus, comprenant un début, un champ d’identification, des données, un CRC et une fin. | | **CRC (Cyclic Redundancy Check)** | Méthode de détection d’erreur basée sur un polynôme, utilisée pour vérifier l’intégrité des trames. | | **Impédance caractéristique** | Impédance intrinsèque d’une ligne de transmission (ex. : 120 Ω pour un bus CAN en paire torsadée). | | **Sectionnement** | opération consistant à couper délibérément un lien de bus pour isoler une zone suspecte lors du diagnostic. | | **Écrasure** | endommagement mécanique d’un câble provoquant un contact entre conducteurs ou avec la masse, entraînant un court‑circuit. | | **Habilitation B1/B2** | qualification permettant de travailler sur des installations électriques sous tension ou hors tension selon la norme NF C 18‑510. | | **Analyseur de bus CAN** | appareil permettant de capturer, décoder et analyser les trames CAN en temps réel (ex. : Peak‑CAN System). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Diagnostic d’un bus Modbus RS‑485 **Situation** : Dans un poste de pompage d’eau à Yaoundé, le variateur de fréquence d’une pompe ne répond plus aux commandes du PLC. Le bus Modbus RS‑485 relie le PLC aux variateurs à 19 200 bauds. L’opérateur signale des erreurs de timeout fréquentes. **Consigne** : En suivant la démarche de diagnostic, déterminer la cause la plus probable et proposer l’action corrective. **Corrigé** 1. **Vérification de l’alimentation** : le 24 V d’alimentation des transceivers RS‑485 est présent (23,8 V). 2. **Mesure de la tension différentielle** : avec l’oscilloscope en mode différentiel, on observe un niveau logique « 0 » (on) autour de +0,3 V et un niveau logique « 1 » (off) autour de –0,3 V (asymétrie marquée). 3. **Continuité ligne‑ligne** : résistance mesurée = 110 Ω (au lieu de 60 Ω attendu avec deux terminaisons de 120 Ω en parallèle). 4. **Résistance ligne‑masse** : > 2 MΩ (bonne isolation). 5. **Analyse** : l’asymétrie des niveaux et la résistance ligne‑ligne trop élevée indiquent une **terminaison manquante ou défectueuse** à une extrémité du bus. 6. **Action corrective** : installer une résistance de terminaison de 120 Ω à l’extrémité du bus côté variateur (celle du PLC était déjà présente). 7. **Vérification** : après installation, les niveaux deviennent symétriques (≈ +0,3 V pour le « 0 », ≈ –0,3 V pour le « 1 ») et la résistance ligne‑ligne retombe à 60 Ω. Les timeouts disparaissent. **Conclusion** : La panne était due à l’absence d’une résistance de terminaison, provoquant des réflexions de signal et des erreurs de trame. ### Exercice 2 – Calcul de la longueur maximale d’un bus Ethernet industriel (100 BASE‑TX) **Situation** : Un technicien doit installer un réseau Ethernet industriel pour relier trois automates dans une usine de transformation de bois à Bafoussam. Le câble prévu est du CAT5e UTP (impédance caractéristique 100 Ω). Le débit souhaité est de 100 Mbps. **Consigne** : Calculer la longueur maximale autorisée par segment sans répéteur, puis indiquer si une longueur de 95 m est conforme. **Corrigé** Pour Ethernet 100 BASE‑TX, la longueur maximale par segment est limitée à **100 m** (norme IEEE 802.3). Cette limite provient essentiellement de la contraintes de temporisation (slot time) et non du calcul de propagation. - Vitesse de propagation dans le câble CAT5e ≈ 0,64 c ≈ 1,92 × 10⁸ m/s. - Temps de propagation pour 100 m : \(t = \dfrac{100}{1,92\times10^8} \approx 0,52 µs\). - Le slot time d’Ethernet 100 Mbps est de 5,12 µs, donc la marge est suffisante. **Réponse** : Une longueur de 95 m est bien inférieure à la limite de 100 m ; elle est donc conforme sans besoin de répéteur. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |------------------|-------------|--------------------------------------| | **Oublier de remettre les résistances de terminaison après un test** | Réflexions de signal, augmentation du taux d’erreur, possible blocage du bus. | Toujours vérifier la présence des deux terminaisons de 120 Ω avant de remettre le bus sous tension. | | **Mesurer la tension différentielle avec la référence du oscilloscope reliée à la masse** | Court‑circuit entre la ligne et la masse, endommage du transceiver. | Utiliser la sonde différentielle ou deux sondes en mode « ADD » avec inversion de la deuxième voie pour obtenir la différence sans référence à la masse. | | **Sectionner le bus sans couper l’alimentation des nœuds** | Risque d’arc électrique sur les connecteurs, détérioration du matériel. | Mettre hors tension l’alimentation des nœuds (ou au moins isoler les alimentations) avant toute manipulation physique sur le câble. | | **Utiliser un câble non blindé dans un environnement à forte perturbation (ex. : proximité de moteurs asynchrones)** | Bruits élevés, trames corrompues, pertes de communication. | Privilégier les câbles STP/UTP blindés et respecter les distances de séparation minimale (≥ 30 cm) par rapport aux câbles d’alimentation forte puissance. | | **Ne pas consigner les valeurs de résistance mesurées avant remplacement** | Difficulté à prouver que la réparation a été efficace, risque de répétition de la même erreur. | Noter systématiquement les mesures de continuité, d’isolement et de terminaison dans le rapport d’intervention avant et après chaque action. | | **Ignorer les consignes de température ambiante lors du choix du câble** | Dégradation de l’isolation, augmentation de l’atténuation, réduction de la durée de vie. | Vérifier la catégorie de température du câble (ex. : -20 °C à +75 °C pour CAT5e extérieur) et choisir un modèle adapté aux conditions du site (ex. : extérieur, conduit, gaines). | --- *Fin du cours.*