С.Ю. СОЛОВЬЕВ, А.Ю. КОЛОДЕЗНЫЙ (ООО “Авиатэкс”), Ю.О. РЕЗНИК, И.Д. БАСКАКОВ, Д.А. ВОЛОКИТИН., А.В. МАСЛОВ (МАИ)

Приводятся результаты инженерного тестирования преобразователей интерфейсов RS-232/422/485 – Ethernet семейства Network Enabler NE-4100 компании MOXА, проведенного компанией Авиатэкс. Рассматриваются особенностих применения этих преобразователей в составе систем промышленной автоматизации.

Компания Авиатэкс провела инженерную оценку свойств преобразователя интерфейсов RS-485 – Ethernet типа NE-4110A компании MOXA. Цель исследования – определение возможностей применения преобразователей для построения информационных каналов в системах промышленной автоматизации различного назначения.

Требования к современным интерфейсам автоматизированных систем

Стандартом современных индустриальных коммуникаций де-факто стала технология Ethernet. Доступность аппаратных средств, удобство использования, широкое распространение в локальных и корпоративных сетях, поддержка топологии типа “звезда”, хорошая стандартизация, возможность использования “обычных” сетевых кабелей UTP/FTP/STP делают сеть Ethernet универсальной основой для построения многоуровневых систем автоматизации.

Высокие эксплуатационные характеристики сети Ethernet проявляются в возможности быстрого развертывания распределенных систем автоматизации и управления, простоте интеграции оборудования различных производителей, сокращении времени проектирования и внедрения и как следствие – высокой экономической эффективности применения технологии Ethernet. Разработка и модернизация компонентов таких систем с интеллектуальными датчиками и микропроцессорными измерительно-управляющими подсистемами требуют решения технических вопросов, связанных с выбором аппаратной платформы, реализацией стека протоколов Ethernet, отладкой ПО.

Технология применения асинхронных последовательных интерфейсов RS-232/422/485 в микропроцессорных системах хорошо отработана: программная часть реализуется путем программирования УАПП (UART); аппаратная – на основе широко доступных драйверов интерфейсов (типа ADM202/MAX202, ADM489/MAX489 и т. п.). Аппаратных средств для использования в микропроцессорных системах интерфейса Ethernet на рынке электронных компонентов предлагается значительно меньше, и выбор аппаратной части Ethernet-устройства еще не решает всех проблем.

Например, применение относительно простой микросхемы Ethernet-контроллера CS8900 упрощает реализацию стека протоколов, но для ее эффективного использования требуется, чтобы микропроцессор устройства имел возможность обмена данными в режиме прямого доступа к памяти. Широко применяемые 8-разрядные микроконтроллеры, как правило, такой возможностью не обладают. Возможно также использование микропроцессоров с поддержкой сети Ethernet (типа DS80C400, AT91RM9200 и т. п.), но при этом неизбежна трудоемкая разработка ПО. Часто возникает необходимость “добавить” порт Ethernet к уже разработанным устройствам, и в этом случае замена контроллера является крайне затруднительной или вовсе невозможной.

Требования к аппаратным средствам построения информационных каналов

Сотрудники компании Авиатэкс имеют немалый опыт создания различного рода автоматизированных систем, основанных на принципах проектной компоновки [1]. Одним из множества вопросов, которые требуют конкретных технических решений, является вопрос выбора аппаратных средств для построения внутренних и внешних информационных каналов. При этом часто требуется добавить или заменить информационные каналы к давно разработанной системе для реализации ее в конкретных условиях.

Обычные требования, которые предъявляются к ним: прозрачность для прикладного ПО; надежность и долговечность; компактность; дешевизна.

Оценим эти характеристики применительно к преобразователю NE-4110A.

Прозрачность для прикладного ПО. Это требование объясняется желанием не иметь дополнительных трудностей с модификацией собственного ПО. Здесь следует сделать весьма существенные замечания. Различные преобразователи одного вида интерфейса в другой являются активными элементами, т.е. содержат микропроцессоры с памятью. Такие устройства изменяют временные характеристики каналов связи. Эти изменения надо учитывать при разработке прикладного ПО, особенно в части программных модулей, контролирующих протокол обмена данными.

Надежность и долговечность. Характеристики стандартных приборов по надежности и долговечности обычно являются приемлемыми. Срок службы 10-30 лет (что анонсируется авторитетными производителями) требует смены оборудования в результате морального старения, а не из-за физического износа.

Компактность. Плата размером 57´40 мм кажется нам вполне удовлетворительной для встраивания в применяемые конструктивы.

Дешевизна. Стоимость преобразователей семейства NE-4100, выполненных в OEM-варианте, составляет менее 100 долл. США. Стоимость функционально аналогичных преобразователей в промышленном исполнении (например, NPort5230) – менее 200 долл. США. Эти цифры следует признать вполне удовлетворительными и сравнимыми с увеличением стоимости промышленных контроллеров с наличием порта Ethernet по отношению к контроллерам, такого порта не имеющим.

Опыт инженерного тестирования

Тестированию подвергался преобразователь NE-4110A, установленный на плату NE-4110-ST из стартового набора (рис. 1) [2].

Тестирование функциональности преобразователя производилось в режиме виртуального COM-порта и в режиме TCP-сервера для различных скоростей обмена данными и способов подключения (двухпроводный RS-485, четырехпроводный RS-485, RS-422). Конфигурирование преобразователя в обоих режимах осуществлялось при помощи конфигурационной утилиты (рис. 2) и через веб-интерфейс (рис. 3). Преобразователь подключался в сегменты сети Ethernet 10Base-T и 100Base-TX. Проверена прозрачность преобразователя при обмене данными между контроллером Modicon TSX Micro (TSX3721001) и ПО “Коммуникационный сервер” (разработки компании Авиатэкс) по протоколу Modbus RTU (скорость – 19200 бит/с) в режиме виртуального COM-порта.

Тестирование работы преобразователя в реальных условиях производилось в составе автоматизированной информационно-измерительной системы учета электроэнергии, автоматизированной системы управления промышленными хроматографами и автоматизированного комплекса лабораторных установок.

При тестировании преобразователя на отладочном стенде автоматизированной информационно-измерительной системы учета электроэнергии были собраны и проверены две схемы включения преобразователя: с одним счетчиком, подключенным к ветви интерфейса RS-485, и с группой счетчиков (рис. 4). Использовались микропроцессорные счетчики электроэнергии ЕвроАльфа и специализированный промконтроллер (устройство сбора и передачи данных) RTU-314 (компания “Эльстер Метроника”). Подключение счетчиков, имеющих интерфейс RS-485, к сети Ethernet позволяет отказаться от прокладки кабельных сетей RS-485 и производить опрос счетчиков с использованием существующей сети Ethernet предприятия. В случае необходимости использования преобразователей в корпусном исполнении могут быть применены функционально аналогичные преобразователи типа NPort5230 (двухпортовые асинхронные серверы RS-232/422/485 в Ethernet), NPort5430 (четырехпортовые асинхронные серверы RS-422/485 в Ethernet) или NPort5630 (8/16-портовые асинхронные серверы RS-422/485 в Ethernet).

При тестировании в составе АСУ промышленными хроматографами преобразователь использовался для подключения к сети Ethernet контроллера промышленного хроматографа [3]. Тестирование осуществлялось в режиме виртуального COM-порта и в режиме TCP-сервера. Обмен данными – полудуплексный, по протоколу типа “запрос-ответ” собственной разработки; скорость обмена данными – 38400 бит/с.

При тестировании в составе автоматизированного комплекса лабораторных установок преобразователь использовался для подключения к сети Ethernet микропроцессорного измерительно-управляющего блока. Была проверена работа преобразователя в режиме виртуального COM-порта и в режиме TCP-сервера; скорость обмена данными – 115200 бит/с; подключение – по интерфейсу RS-422; обмен данными – полнодуплексный. Важной особенностью преобразователя является то, что его включение в канал связи изменяет временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными, что, очевидно, связано с буферизацией данных в памяти преобразователя. Это обстоятельство следует учитывать при написании нового или использовании существующего ПО.

Тестирование во всех использованных режимах, при различных параметрах и способах подключения подтвердило заявленные производителем технические характеристики преобразователя. Применение стандартных интерфейсов и протоколов позволяет использовать преобразователь совместно с оборудованием других производителей. Подробная инструкция по эксплуатации [4] содержит все необходимые сведения для работы с ним.

Перспективы применения

• Использование преобразователей семейства NE-4100 представляется нам достаточно эффективным в следующих конкретных проектах:

  АСУ промышленными хроматографами;

  Аавтоматизированные лабораторные установки нового поколения в комплекте с микропроцессорным измерительно-управляющим блоком (МИУБ).

АИИС КУ (или АСКУЭ – автоматизированная система коммерческого учета электрической энергии и мощности) для ЖКХ обладает некоторыми специфическими особенностями. “Комфортные” условия функционирования позволяют применять комплектующие, предназначенные для эксплуатации в лабораторных условиях, т. к. практически все компоненты АСКУЭ могут быть размещены в отапливаемых (жилых) помещениях. Однако консервативность сферы ЖКХ требует повышенного срока службы оборудования. И, конечно, основным требованием является низкая стоимость точки учета. Действительно, если АСКУЭ для крупного промышленного предприятия содержит несколько десятков точек учета (счетчиков), то один дом на 12 этажей и 4 подъезда – около 200 счетчиков. Считается, что средняя стоимость точки учета величиной 3000 рублей – приемлемая для АСКУЭ ЖКХ.

На рис. 5 представлена типовая структура АСКУЭ, которая может быть использована для учета потребления электрической энергии в ЖКХ. Множество точек учета (счетчики электроэнергии) объединены информационной магистралью и подключены к специализированному промконтроллеру – устройству сбора и передачи данных (УСПД), которое, в свою очередь, связано с АРМ диспетчера энергосбытовой организации собственным каналом связи.

• К счетчикам электрической энергии для ЖКХ предъявляются следующие требования:

  Наличие магистрального последовательного интерфейса, например RS-485;

  Наличие архива в виде профиля потребленной энергии;

  Минимальная дискретность профиля – 1 сутки (лучше – 1 ч);

  Глубина хранения – не менее трех месяцев;

  Стоимость не должна превышать 1500 рублей.

Прототипом могут служить счетчики типа СЭТ-4ТМ (ФГУП “Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе”) и ЕвроАльфа (“Эльстер Метроника”, г.Москва).

Основное требование к УСПД сводится к обеспечению возможности дистанционного доступа к архивам каждого счетчика. В частном случае УСПД вырождается в концентратор или переключатель информационных каналов, т. е. УСПД должен обладать возможностью подключения нескольких сотен счетчиков или иметь в своем составе несколько равноправных информационных каналов. Отдельный микропроцессорный сумматор является измерительным прибором, что требует его сертификации и существенно удорожает АСКУЭ. К каналам связи для АСКУЭ ЖКХ предъявляются следующие требования: возможность быстрого безошибочного считывания данных; скорость передачи данных не менее 37 Кбод (для обеспечения считывания данных за один месяц от одного счетчика в течение секунды).

Анализ структуры АСКУЭ для ЖКХ и требований к ее компонентам позволяет предложить использование преобразователей семейства Network Enabler или других аналогичных устройств в качестве “вырожденного” УСПД. Применение канала Ethernet обеспечивает бесперебойную связь с точками учета. При наличии только телефонной линии для организации внешнего канала связи достаточно снабдить дом одним модемом; для этой же цели могут быть также использованы выделенные линии Ethernet. В крупных городах, где современные дома оснащаются выделенными линиями Ethernet или свободными телефонными линиями, организация такого внешнего канала связи не вызывает затруднений. Отсутствие проводной телефонизации потребует применения сотового модема или радиомодема, для подключения которых может быть также использовано оборудование, аналогичное протестированному.

АСУ промышленными хроматографами (АСУ ПХ) также является распределенной системой промышленной автоматизации, выполняющей функции сбора и обработки данных с удаленных хроматографов, автоматического расчета трендов концентраций компонентов и ведения архивов хроматографических анализов. Наша компания использует для обмена данными между контроллерами промышленных хроматографов (КПХ) “Хромакон” и АРМ технолога интерфейс -485.

• Применение в АСУ ПХ преобразователей семейства Network Enabler для подключения КПХ к сети Ethernet позволяет обеспечить следующие преимущества:

  практически неограниченные расстояния между КПХ и АРМ технолога;

  практически неограниченное количество КПХ в АСУ ПХ;

  дистанционный доступ к любому КПХ для конфигурирования, диагностики и опроса;

  возможность использования существующих кабельных линий и коммуникационного оборудования предприятия.

Автоматизированные лабораторные установки учебной лаборатории “Электрические измерения неэлектрических величин” предназначены для проведения экспериментальных исследований методов и технических средств измерения температуры, давления, ускорения и вибрации. Измерение сигналов датчиков лабораторных установок, управление режимами работы установок и задатчиками физических воздействий осуществляется с МИУБ, которым комплектуется каждая установка. При разработке МИУБ в качестве канала обмена данными с ПК был выбран интерфейс RS-232. Для лабораторного оборудования использование интерфейса RS-232 является вполне приемлемым по большинству параметров (скорости обмена, расстоянию и т. п.). Однако применение интерфейса RS-232 ограничивает возможности работы с одного ПК к несколькими установками и удаленного доступа к ним.

• Использование преобразователей семейства Network Enabler для оснащения МИУБ портом Ethernet обеспечивает следующие возможности:

  удаленного доступа к лабораторным установкам для организации дистанционного обучения;

  работы с любого ПК дисплейного класса с любой лабораторной установкой;

  использования имеющейся локальной сети.

Благодарим компанию “Ниеншанц-Автоматика” (http://www.nnz-ipc.ru/) – официального дистрибьютора компании MOXA – за любезно предоставленное для тестирования оборудование и Учебно-научный центр МАИ “Интеллектуальные автоматизированные системы измерения, контроля и управления в авиационной и космической промышленности” – за помощь в проведении экспериментов.

Список литературы

1. Реализованные проекты компании АВИАТЭКС

2. Обновление линейки встраиваемых преобразователей RS-232/422/485 в Ethernet: Network Enabler NE-41xx от компании MOXA (http://nnz-ipc.moxa.ru/html.prod/product/nfeb2.html).

3. Резник Ю.О., Баскаков И.Д., Волокитин Д.А. и др. Контроллер промышленного хроматографа “Хромакон” // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 8.

4. NE-4100 Series User’s Manual. – Moxa Technologies Co., Ltd. – First Edition, November 2003. – 102 p.

Сергей Юрьевич Соловьев, Алексей Юрьевич Колодезный – ведущие специалисты ООО “АВИАТЭКС”. Телефон (495) 195-94-92.E-mail: Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script ,http://www.aviatex.ru

Юрий Овшиевич Резник – ст. науч. cотр., Илья Дмитриевич Баскаков, Денис Александрович Волокитин, Алексей Валерьевич Маслов – инженеры Отдела автоматизации экспериментов Московского авиационного института (МАИ)

Телефон (495) 158-47-41. E-mail: Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script

Приложение

Встраиваемые преобразователи семейства Network Enabler NE-4100 компании MOXA: сетевые технологии в -варианте

Преобразователи семейства Network Enabler NE-4100 компании MOXA обеспечивают возможность подключения устройств с интерфейсом RS-232/422/485 к сети Ethernet 10/100 Мбит/с. Преобразователи семейства Network Enabler выполнены в виде компактной печатной платы с установленными разъемами Ethernet и последовательного интерфейса. Такая конструкция обеспечивает простоту и удобство использования преобразователей для OEM-разработчиков: преобразователи могут быть применены при разработке новых устройств или же встроены в существующие устройства.

• Преобразователи семейства Network Enabler построены на основе 16-разрядного микропроцессора 80186, имеют 2 Мбайт flash-памяти, 1 Мбайт синхронной динамической оперативной памяти (SDRAM). Преобразователи семейства Network Enabler имеют:

        порт Ethernet 10/100 Мбит/с с автоматическим определением скорости передачи данных;

        последовательный порт для передачи данных (RS-232, RS-422/485 или ТТЛ – в зависимости от модели);

        COM-порт для настройки основных параметров преобразователя (скорости передачи данных, параметров посылок и характеристик сетевого интерфейса);

        4 канала ввода/вывода ТТЛ для считывания и установки дополнительных параметров управляемого прибора (состояние каналов ввода/вывода может также задаваться/передаваться по протоколу TCP/IP).

• В состав семейства входит 5 моделей устройств, отличающихся по способу установки платы, типу последовательного интерфейса и разъему Ethernet:

        NE-4100T – преобразователь ТТЛ-Ethernet, разъем Ethernet и сигналов ТТЛ – штырьковый; размер платы 45´36 мм;

        NE-4110S – преобразователь RS-232-Ethernet; разъем Ethernet – RJ45; разъем RS-232 –штырьковый; размер платы 57´40 мм;

        NE-4110A – преобразователь RS-422/485-Ethernet; разъем Ethernet – RJ45; разъем RS-422/485 – штырьковый; размер платы 57´40 мм;

        NE-4120S – преобразователь RS-232-Ethernet; разъем Ethernet – штырьковый; разъем RS-232 – штырьковый; размер платы 57´40 мм;

        NE-4120A – преобразователь RS-422/485-Ethernet; разъем Ethernet – штырьковый; разъем RS-422/485 – штырьковый; размер платы 57´40 мм.

Преобразователи семейства Network Enabler поддерживают протоколы ICMP, ARP, IP, TCP, UDP, DHCP, HTTP, SNMP, SMTP, имеют несколько режимов работы (TCP-сервер, TCP-клиент, UDP, виртуальный -порт). Важным достоинством преобразователей является реализация в них стека протоколов Ethernet.

Технические характеристики

Рис. 1. Преобразователь NE-4110A, установленный на плату NE-4110-ST

Рис. 2. Конфигурационная утилита

Рис. 3. Веб-интерфейс преобразователя

Рис. 4. Тестирование преобразователя в составе автоматизированной информационно-измерительной системы учета электроэнергии

Рис. 5. Типовая структура АСКУЭ для ЖКХ