Cours Architecture Des Sys Auto - 2 [PDF]

Zitiervorschau

Université 20 Aout 1955 SKIKDA Faculté de Technologie Département de Génie Electrique L2 Automatique

Cours Architecture des systèmes automatisées

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Contenu de la matière 1. Introduction 2. Structure d’un système de production

3. Notion de réseau a. Partie commande b. Architecture des systèmes de production 4. Présentation et étude de cas

Introduction 1. Approche globale d’un système de production 2. Objectifs de l’automatisation des productions 3. Rentabilité d’une automatisation

Approche globale d’un système de production Un système de production a pour but d’apporter une VALEUR AJOUTEE à la MATIERE D’OEUVRE. Il élabore des produits qui peuvent être : •Soit des produits finis, directement commercialisés •Soit des produits intermédiaires servant à la réalisation des produits finis. Le système de production est également alimenté en énergies (électrique, pneumatique, hydraulique …). 4

Il génère des déchets divers : chutes de coupes, eaux sales… Le fonctionnement du système de production nécessite différentes interventions humaines : 1. Le personnel d’exploitation assure la surveillance, l’approvisionnement et participe parfois au procédé de production. 2. Le personnel de réglage procède aux interventions nécessaires pour obtenir la qualité recherchée ou pour démarrer une campagne de production. 3. Le personnel de maintenance intervient lorsque le système de production se trouve en défaillance et procède aux opérations de maintenance préventive. 5

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Objectifs de l’automatisation des productions Les objectifs poursuivis par une automatisation peuvent être assez variés. On peut retenir quelques uns : •La recherche de coûts plus bas, par réduction des frais de maind’œuvre, d’économie de matière, d’économie d’énergie,… •La suppression des travaux dangereux ou pénibles et l’amélioration des conditions de travail. •La réalisation d’opérations impossibles à contrôler manuellement.

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La compétitivité d’un produit final peut être définie comme sa capacité à être bien vendu. La compétitivité résulte essentiellement des résultats obtenus sur les facteurs suivants : coût, qualité, innovation, disponibilité. L’automatisation des équipements de production peut améliorer les coûts, la qualité et même la disponibilité des produits. Il est cependant important de vérifier que le produit sur lequel s’applique cette automatisation soit optimisé, et réponde toujours aux besoins du marché. L’expérience montre qu’une automatisation conduit souvent à remettre en cause le processus de fabrication et donc le produit.

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Rentabilité d’une automatisation Comme pour tout investissement, un projet d’automatisation est jugé sur sa rentabilité. Celle-ci peut s’exprimer sous forme du temps de retour des investissements. NbA = Nb d’années pour retour d’investissement. Si NbA est inférieur à 3 ans, le projet est en général jugé intéressant, si toutefois la durée de vie du produit fabriqué est estimée d’une durée supérieure. Exemple : Durée de Vie moyenne de quelques produits usuels : Automobile : 7 à 8 ans ; lave linge:10 à 11 ans ; réfrigérateur : 16 à 17 ans ; téléviseur : 11 ans ; machine-outil : 10 à 25 ans. 10

Structure d’un système de production

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Introduction Les systèmes automatisés, utilisés dans le secteur industriel, possèdent une structure de base identique. Ils sont constitués de plusieurs parties plus ou moins complexes reliées entre elles que l'on nomme : •Partie opérative (PO) étiqueteuse automatique •Partie commande (PC) •partie relation (pupitre de dialogue) [PR].

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Définition d’un système automatisé

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Exemples d’actionneurs

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Exemples de capteurs

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La partie opérative

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La PO C'est la partie visible du système. Elle comporte les éléments mécaniques du mécanisme avec : •des pré-actionneurs (distributeurs, contacteurs), lesquels reçoivent des ordres de la partie commande;

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•des actionneurs (vérins-moteurs) qui ont pour rôle d'exécuter ces ordres. Ils se présentent sous différentes formes comme:

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Les vérins

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Vérin simple effet

Vérin double effet à simple tige

Vérin à double tige

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Vérin télescopique Vérin rotatif

Vérin pivotons à pignon-crémaillère 25

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Moteur à courant continue

Moteur à courant alternatif

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Moteur pas à pas

Pas n: 01

Pas n: 02

Pas n: 03

Pas n: 04

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•des capteurs qui informent la partie commande de l'exécution du travail

Dans un système automatisé de production, ce secteur de détection représente le service de surveillance et renseignement du mécanisme. Il contrôle, mesure, surveille et informe la PC sur l'évolution du système.

CONSTITUTION D’UN CAPTEUR Un appareil de mesure est constitué d’un corps d’épreuve qui, au contact du procédé, donc de la grandeur physique à mesurer, produit une grandeur directement mesurable par le capteur suivant le schéma ci dessous :

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Les différents types de capteur CAPTEURS ANALOGIQUES Le signal délivré est la traduction exacte de la loi de variation de la grandeur physique mesurée. CAPTEURS LOGIQUES (Tout Ou Rien) Le signal ne présente que deux niveaux, ou deux états, qui s’affichent par rapport au franchissement de deux valeurs; ces capteurs du type tout ou rien (TOR) sont également désignés par détecteurs. CAPTEURS NUMERIQUES Le signal est codé au sein même du capteur par une électronique associée; ces capteurs sont également désignés par codeurs et compteurs.

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Transmetteur le transmetteur convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard (pneumatique, électrique ou numérique). Il a pour fonction d’assurer le lien entre le capteur qui génère la mesure et le système de contrôle commande (SNCC) ou d’acquisition de mesure

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Manomètres électroniques: Capacitif Le principe consiste à transformer la déformation de la membrane de mesure sous l’effet d’une force ou d’une pression en variation de capacité par modification de la distance entre les armatures que forme le condensateur. En effet, l’une des armatures du condensateur est placée sur la membrane qui se déforme (armature mobile), l’autre sur le corps du capteur qui n’est pas soumise à la déformation.

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Mesure de température par thermocouple Un thermocouple est constitué de deux conducteurs de natures différentes soudés à leurs extrémités. La tension mesurée est en relation directe avec la différence de température des deux soudures. Le phénomène de thermoélectricité est le résultat simultané du flux de chaleur et d’électricité au niveau de la soudure. La tension E obtenue, est directement liée à la différence de température et à un coefficient « a » dépendant de la nature des deux matériaux constituant le thermocouple

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DÉBITMÈTRES ÉLECTROMAGNÉTIQUES

La mesure repose sur la loi d’induction de Faraday. Ce principe de mesure ne peut être mis en œuvre que sur des liquides conducteurs. Dans un débitmètre électromagnétique, un champ magnétique est créé perpendiculaire au débit du liquide. Le liquide se comportant alors comme un conducteur en mouvement dans un champ magnétique voit en son sein apparaître une tension induite. Cette tension (U) ainsi obtenue est proportionnelle à la vitesse (V) du liquide dans la ligne.

U=K.V Le coefficient K dépend de l’intensité du champ magnétique, et de le géométrie du capteur

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DÉBITMÈTRES A ULTRASONS

Le principe de mesure repose sur la différence de vitesse de propagation d’une onde sonore lorsque celle-ci se déplace dans le sens d’écoulement du fluide et lorsqu’elle déplace en sens opposé à l’écoulement, comme le montre la schéma ci dessous.

Le débit est fonction du diamètre de la tuyauterie et de la différence de temps qu’il faut à l’onde sonore pour faire le trajet de A vers B ou de B vers A. Cette technique est réservée à la mesure d’un débit de gaz ou de liquide non chargé. 39

Pour une application sur des liquides chargés de particules solides, de bulles de gaz ou émulsionnés. La mesure est alors basée sur l’effet Doppler. Dans ce cas, le signal sonore émis se réfléchit sur les particules (solides, liquides, ou gazeuse) et modifie sa fréquence en proportionnellement à leur vitesse.

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Les capteurs tout ou rien Les détecteurs sont des capteur de type tout ou rien. La famille la plus fournie est celle des détecteurs de présence . On distingue les détecteurs par contact et les détecteur de proximité.

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Les détecteurs inductifs

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Détecteur de proximité capacitif : Dans le cas du détecteur capacitif l’objet à détecter fait varier par sa position la capacité d’un condensateur formé par la face sensible du détecteur. Ses caractéristiques lui permettent de détecter tout objet même si celui-ci n’est pas métallique.

Exemple application des Détecteurs de proximités 44

Détecteur de proximité photo électrique : Les systèmes détecteurs de proximités photoélectriques comprennent: un émetteur de lumière visible ou infrarouge, un récepteur photosensible. L’objet est détecté lorsqu’il interrompt, ou fait varier, l’intensité du faisceau lumineux sur le récepteur. Il existe 3 types de détecteurs photoélectriques : - Le système de proximité, - Le système barrage, - Le système reflex. Emetteur

Récepteurs

Réflecteur 45

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L’Effecteur: est l’élément de la chaîne d’action en contacte avec la matière d’œuvre. C’est lui qui est chargé de sa transformation L'Effecteur est situe a la suite de l'actionneur pour finaliser le travail : il produit l'effet attendu. Par exemple : la trappe du distributeur de billets, la pince du robot, la cabine de l'ascenseur, etc.

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La partie commande

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Structure de la partie commande

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Exemple d’une barrière automatique

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Automate Programmable Industriel API (PLC en anglais)

Un API est une forme particulière de contrôleur à microprocesseur qui utilise une mémoire programmable pour stocker les instructions et qui implémente différentes fonctions, qu’elles soient logiques, de séquencement, de temporisation, de comptage ou arithmétiques, pour commander les machines et les processus.

Figure 1. Automate programmable industriel 52

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Architecture matérielle des API Description générale : Un automate programmable industriel se présente sous la forme d’un ou plusieurs profilés supports (racks) dans lesquels viennent s’enficher les différents modules fonctionnels : l’alimentation 110/220 VCA ou 24 VCC L’unité centrale de trainement à base de microprocesseur, Des cartes d’entrées/sorties logiques (TOR), Des cartes d’entrées/sorties analogiques (ANA), Des cartes de comptage rapide, Des cartes de communication (CP), Des cartes spécifiques pour : réseaux, asservissement, régulation commande d’axe…. Chaque module d’entrée/sortie comporte un bornier de raccordement et un ensemble des LEDs visualisation de l’état logique de chaque voie. 55

Cette organisation modulaire permet une grande souplesse de configuration adaptée aux besoins de l’utilisateur ainsi qu’un diagnostic et une maintenance facilités. cartes d’entrées TOR Chaque carte comporte généralement 8, 16, 32 entrées logiques et peut correspondre au schéma fonctionnel ci-dessous:

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cartes de sorties TOR : Chaque carte comporte généralement 8, 16, 32 sorties logiques et peut correspondre au schéma fonctionnel suivant :

L’API commande le processus en connectant des actionneurs via les points de connexion de l’API appelés sorties à une tension de commande de 24 V

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Cartes d’entrées/sorties analogiques : A la différence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux états "Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont capables (dans une certaine plage donnée) de prendre n'importe quelle valeur comprise entre 0V et 10V ou de 0 à 20mA.

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Carte de régulation PID Cette carte comporte souvent plusieurs entrées analogiques permettant de recevoir le signal de mesure issu des transmetteurs 4-20mA, ainsi que plusieurs sorties analogiques permettant de piloter les vannes de régulation. Le microprocesseur local traite le programme élaboré à partir des différents algorithmes de régulation implantés sur la carte même (PID, Sommation, Racine carrée,..).

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Langages de programmation des APIs La norme IEC 61131-3 définit entre autres choses, cinq langages qui peuvent être utilisés pour la programmation d'applications d'automatisme. Les cinq langages sont: 1. IL « instruction list », ou liste d'instructions: Un programme écrit selon cette méthode est constitué d’une suite d’instructions, chacune placée sur une nouvelle ligne. Le tableau suivant recense quelque codes utilisés par les fabricants et les instructions normalisées.

2. ST «structured text » ou texte structuré: les programmes sont écrits sous forme d’une suite d’instructions séparées par des points-virgules. Il s’agit d’instructions prédéfinies et de sous routines qui permettent de modifier des variables, celles-ci étant des valeurs définies, des valeurs mémorisées de manière interne ou des entrées et des sorties. 3. Le graphe de fonction séquentielle SFC « sequential function chart » : Ce terme correspond à une représentation graphique du fonctionnement d’un système afin de révéler l’enchaînement des évènements qui conduisent à ce fonctionnement . La figure 4 illustre ce type de fonctionnement. 60

4. LD « Ladder Diagram », Langage à contacts: dans un schéma à contacts, le nom de variable associée à chaque élément et son adresse sont ajoutés au symbole: 5. Diagramme de schéma fonctionnelle (FBD, Functional Block Diagram): est utilisé pour les programmes d’ API décrits sous forme de blocs graphiques. Il s’agit d’un langage graphique pour représenter les signaux et les données passant au travers de blocs, qui sont des éléments logiciel réutilisable. Un bloc fonctionnel est une instruction du programme qui, lorsqu’elle est exécutée, produit une ou plusieurs valeurs de sortie. La figure ci-dessous montre la représentation d’un bloc. L e nom de la fonction est écrit dans la boîte. Exemple: Sortie arrêtée par activation d’un seul des quatre capteurs.

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Mise en œuvre de la pompe

FBD, Functional Block Diagram

Ladder Diagram 62

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Ex. Yoko

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Ex. Yokogawa logics

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Ex. Tricon logics

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Graphics

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DCS

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Définition du systèmes de contrôle distribués DCS : Un DCS est une combinaison du concept d’une boucle simple de contrôle local et les réseaux informatiques. Les systèmes de contrôle distribués ont énormément amélioré la gestion des procèdes industriels avec plus de souplesse et de sécurité. Les systèmes de contrôle DCS permettent une conduite et surveillance centralisées et un contrôle reparti d’ou le nom DCS (Distributed Control System). Les quatre fonctions de base à réaliser par un système numérique de contrôle/commande de procédés industriels sont: •L’adaptation des signaux échangés avec le procédé. •Le traitement en temps réel des données échangées avec le procédé. •Le traitement en temps différé des données échangées avec le procédé. •La communication avec les utilisateurs du système numérique.

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La différence entre un système centralisé et un système distribué

Dans un système centralisé, un même dispositif ( processeur ou calculateur) peut réaliser la plupart des fonctions de base. Une indisponibilité du dispositif en question provoque la perte de l’ensemble des fonctions dont il a la charge.

Dans un système distribué ou réparti, les fonctions de base sont plutôt confiées à des dispositifs différents reliés entre eux par un réseau de communication. Une indisponibilité d’un dispositif ne provoque que la perte du fonction dont il a la charge.

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Les systèmes DCS’s les plus utilisés sont ceux de Honeywell, Yokogawa, Emerson, ABB, Foxboro, Alstom et Rockwell.Il est à noter que tous les systèmes de contrôle distribués doivent être réalisés selon l’architecturede base suivante

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Réseaux informatiques 72

Réseaux informatiques C’est quoi un réseau informatique ?

c’est un ensemble d’équipements (informatiques) reliés entre eux.

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Réseaux informatiques Pourquoi les réseaux ?

Tout simplement pour communiquer, gagner du temps et…..

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Réseaux informatiques Pourquoi les réseaux ?

le partage des ressources matérielles (disques durs, imprimantes…) et des ressources logicielles (fichiers, applications…) 75

Réseaux informatiques Comment sont reliés ces ressources ?

C’est ce qu’on appelle la topologie du réseau.

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Réseaux informatiques TOPOLOGIE: Il s’agit de la manière de relier entre eux les équipements informatiques. Selon les topologies on obtient des performances différentes. A savoir, les débits, le nombre d’utilisateur maximum, le temps d’accès, la tolérance aux pannes, la longueur de câblage 77

Réseaux informatiques TOPOLOGIE: Il existe trois topologie différentes : • en étoile

• en bus • en anneau 78

Topologie en étoile:

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Topologie en étoile: Dans ce cas on constate que chaque ordinateurs, imprimantes.. est relié au nœud central : hub ou switch dans le cas d’un réseau éthernet. Les performances du réseau vont alors dépendrent principalement de ce nœud central. Un hub pratique de la diffusion : si un pc envoie un message à un autre pc, l’information suit le parcours suivant : elle part du pc émetteur arrive au hub puis est diffusée sur tous les ports du hub ; seul le pc à qui est destiné le message récupère les informations. 80

Topologie en étoile: Avantages : • Chaque station possède sa propre ligne -> évite les conflits. • Administration du réseau facilitée (grâce au nœud central).

Inconvénient : • Longueur de câble importante 81

Topologie en bus :

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Topologie en bus : Il s’agit de la forme la plus rencontrée (bien que l’étoile gagne du terrain…)

On trouve à chaque extrémité d'un brin des bouchons. Les bouchons servent à ce que le signal ne se réfléchisse pas.

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Topologie en bus : Avantages : • La longueur de câble est moins importante que pour la topologie en étoile ou en anneau.

Inconvénient : • Plusieurs machines sont reliées à un seul support > d'où la nécessité d’un protocole d’accès qui gère le tour de parole des stations afin d’éviter les conflits. 84

Topologie en anneau

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Topologie en anneau Il s’agit de la topologie en bus que l’on a refermé sur elle- même. Le sens de parcours du réseau est déterminé -> ce qui évite les conflits. Les stations sont actives : c'est à dire qu'elles régénèrent le signal. 86

Topologie en anneau Avantages : • Le temps d’accès est déterminé (une machine sait à quel moment elle va pouvoir « parler »).

Inconvénient :

Si un nœud (une station par exemple) ne fonctionne plus, le réseau est coupé. Pour éviter ceci, on remplace les stations par des MAU (Multistation Access Unit) : cela ressemble à un Hub mais le dernier port est relié au premier, ce qui revient à un anneau. Dans ce cas, la topologie logique reste en anneau mais la topologie physique est en étoile. 87

TYPES DE RESEAUX : Nous allons ici classer les réseaux selon la distance.

Les réseaux locaux (LAN): • Les LAN (Local Area Network) sont des réseaux ne dépassant par 5 km (ex : pour un immeuble). Ces réseaux sont privés (on ne peut pas y accéder de l’extérieur). • Le débit peut aller de quelques Mbits/s à 100 Mbits/s. • Le nombre de station ne dépasse généralement pas 1000. •Voici un exemple de LAN :Ethernet

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TYPES DE RESEAUX :

Les réseaux métropolitains (MAN): • Les MAN (Metropolitan Area Network) ne dépassent pas 200 km (ex : d’une ville à une région). Ces réseaux peuvent être privés ou publics. • Le débit est élevé car supérieur à 100 Mbits/s.

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TYPES DE RESEAUX :

Les réseaux grandes distances(WAN):

Les débits disponibles sur un WAN résultent d'un arbitrage avec le coût des liaisons (qui augmente avec la distance) et peuvent être faibles.

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SUPPORTS : Le coaxial:

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SUPPORTS : Le coaxial: • Le câble coaxial possède une large bande passante (de l’ordre du MHz) : ce qui permet en d’autre de faire circuler plusieurs types d’informations en même temps (un équipement pourra avoir son propre canal de fréquence). • Ce câble est peu sensible aux parasites et supporte un débit de l’ordre du Mbit/s. • Pour ce genre de câble on utilise des connecteurs BNC. 92

SUPPORTS : Le câble paire torsadée :

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SUPPORTS : Le câble paire torsadée : • Le câble paire torsadée est plus léger et coûte beaucoup moins cher que le câble coaxial. Il s’agit du fil utilisé pour le téléphone. • Les fils sont torsadés car cette configuration offre une meilleur protection aux parasites (paradiaphonie plus élevée) •La paire torsadée peut être non blindée : UTP (Unshielded Twisted Pair) ou blindée : STP (Shielded Twisted Pair). Le STP peut s’avérer utile si le câble doit passer près d’une source de perturbation tel qu’un néon, un transformateur… •Avec la paire torsadée on utilise des connecteurs tel que les RJ45 94

SUPPORTS : Le câble paire torsadée :

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SUPPORTS : La fibre optique :

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SUPPORTS : La fibre optique : • Le transport des données se fait sous forme de lumière, ce qui à l’avantage d’être très rapide et également insensible aux parasites. La fibre optique est un support privilégié pour les transmissions à haut débit, mais son coût est bien plus élevé que le support cuivre. • La bande passante est très large et les débit sont de l’ordre du Gbits/s. Un signal n’a besoin d’être régénéré que tous les 500 km 97