Specyfika pracy automatyka może popadać w skrajności. Z jednej strony pracujemy na działach utrzymania ruchu w lokalnych firmach w naszej okolicy, gdzie miejsce pracy mamy ciągle to samo, a rozmaitości dodaje nam jedynie praca zmianowa i różne awarie urządzeń. Z drugiej, praca u integratorów na uruchomieniach zazwyczaj powoduje konieczność częstych delegacji, trwających nierzadko długie tygodnie w różnych zakątkach globu. Wypośrodkowanie wyjazdów i pracy lokalnej wydaje się być złotym środkiem, aczkolwiek jest trudne do osiągnięcia. Ja miałem (i w sumie ciągle mam) przyjemność pracować jako ten drugi typ automatyka – na uruchomieniach. I w mojej pracy, nierzadko przed delegacyjną podróżą na drugi koniec naszego kraju, ratowały mnie urządzenia bliźniacze do dzisiejszego gościa tego artykułu – serwera portów szeregowych. Dzięki uprzejmości firmy Consteel-Electronics chciałbym zaprezentować jedno z tych urządzeń, a dokładnie model NP301. We wszystkich opisanych poniżej sytuacjach, sprawdzi się on znakomicie!
Ale jak to?
W dobie panującego obecnie Ethernet-u i WiFi, mogłoby się wydawać, że stare, poczciwe komunikacyjne interfejsy szeregowe RS232, RS422 i RS485 odeszły już dawno do lamusa. Pewnie większość użytkowników eksploatujących dzisiejsze komputery czy przenośne laptopy wcale nie tęskni za tym, że ich urządzenia nie posiadają już złącz DB9. Ba nawet nie zwraca na ich brak uwagi! A tymczasem automatyk widzący laptopa ze złączem DB9 od razu jest podekscytowany i w głowie ma te wszystkie sytuacje, w których musiał posiłkować się konwerterem na USB.
Czemu akurat tak? Nawet jeśli niewiele czasu spędziłeś do tej pory przy systemach automatyki, to na pewno zauważyłeś, że jeszcze całkiem sporo urządzeń wykorzystuje standardy transmisji szeregowej do komunikacji. Zwłaszcza jeśli pod lupę weźmiemy standard magistrali RS485. To na jej bazie działa najstarszy, ale ciągle popularny Modbus RTU, a wtóruje mu Profibus. Nic nie zapowiada, aby te sprawdzone protokoły wymiany danych między urządzeniami automatyki miały w najbliższej przyszłości zniknąć z systemów sterowania. Podobnie sprawa ma się z interfejsem RS232! Jego najpopularniejszym mi znanym zastosowaniem jest łączność ze wszelkiego rodzaju skanerami kodów kreskowych. A te spotykamy wszędzie, nawet idąc na zakupy. Do tego też drukarki przemysłowe, gdzie także spotykano standard RS422. No i jeszcze wagi czy choćby centralki alarmowe. Sporo tego jest!
To powoduje, że większość automatyków „uruchomieniowców” obok wszelkiej maści wkrętaków, miernika elektrycznego i laptopa w swojej narzędziówce posiada konwertery sygnałów. To one na etapie uruchomień będąc na obiekcie pozwolą na podłączenie się do sieci w standardzie transmisji szeregowej i wykonanie określonego zadania. I wszystko byłoby pięknie, gdyby awarie nie występowały po etapie uruchomień, gdy znajdujemy się już 1000 kilometrów od tego obiektu. Co wtedy? Zbieramy co nam potrzebne i ruszamy w podróż…
Czym jest serwer portów szeregowych?
Na szczęście to nie jedyne rozwiązanie! Alternatywą jest właśnie serwer portów szeregowych. Są to urządzenia umożliwiające konwersję sygnału transmisji szeregowej na ramki Ethernet i odwrotnie. Pozwalają tym samym za pośrednictwem Ethernetu podłączyć się do urządzeń pracujących w standardzie transmisji szeregowej jak inteligentne przetworniki pomiarowe, wagi, przetwornice częstotliwości czy sterowniki PLC. W zestawieniu z dobrocią zdalnego dostępu VPN jesteśmy zatem w stanie zdalnie, nawet z drugiego końca świata, dostać się do wewnętrznej magistrali Modbus RTU lub pojedynczego urządzenia, analogicznie jakbyśmy znajdowali się na obiekcie. Takie zastosowanie jest mi bardzo bliskie i niejednokrotnie uratowało przed wyjazdem na obiekt, aby wykonać jakąś prostą robotę :).
Zastosowania
Pierwsze z zastosowań już przytoczyłem – zdalny dostęp do urządzeń automatyki komunikujących się w standardzie transmisji szeregowej. Serwer portów skonfigurowany w trybie Real Com Mode (o trybach szerzej za chwilkę) na obiekcie, dodatkowo VPN i po problemie. Natomiast wiele z urządzeń działa w oparciu o taką komunikację w sposób ciągły. Szczególnie często spotykane rozwiązanie tego typu można spotkać w branżach energetycznej i wodno-kanalizacyjnej. To właśnie tam zachodzi często potrzeba odczytu liczników zużycia energii czy wody, które nierzadko wyposażone są w interfejsy szeregowe. Zastosowanie serwera portów szeregowych pozwala wyeliminować ten problem i liczniki odczytywać nawet za pośrednictwem sieci telefonii komórkowej. Taki pomiar może wtedy na bieżąco trafiać do centrali i informatycznych systemów rozliczeniowych.
Również lokalnie na zakładzie za pomocą serwera portów szeregowych możemy skomunikować urządzenia ze sterownikami PLC, jeśli te nie posiadają już portu szeregowego. A takich sterowników jest coraz więcej! Oczywiście w takich zastosowaniach często spotkamy dedykowane bramki protokołów, niemniej serwery portów szeregowych dają nam możliwość większej swobody w konfiguracji komunikacji na warstwie protokołów. I tak bez problemu skomunikujemy się z choćby skanerem kodów kreskowych.
Przykład skanerów nasuwa także kolejne zastosowanie portów szeregowych – wydłużenie magistrali transmisji danych przez sieć Ethernet. Komunikując nasz przykładowy sterownik PLC ze skanerem lub innymi urządzeniami jak wagi, nie jesteśmy ograniczeni dozwoloną standardami RS232 lub RS485 długościami przewodów. A jak wiadomo, na nawet niewielkich zakładach produkcyjnych, przewody potrafią być naprawdę długie. Dzięki serwerom portów takie ograniczenia już nie istnieją. Do naszego sterownika PLC znajdującego się w bezpiecznej szafie sterowniczej czy nawet dedykowanej serwerowni, możemy skomunikować kilka magistral szeregowych przez sieć Ethernet tworząc system zdecentralizowany.
NP301 od 3onedata
Jak widzisz serwery portów szeregowych to całkiem przydatne, uniwersalne urządzenia, które w wielu aplikacjach potrafią zastąpić często dużo droższe i czasami skomplikowane w konfiguracji bramki protokołów. Przykładem solidnego urządzenia jest dzisiejszy model NP301 od 3onedata, który na terenie Polski dystrybuowany jest przez Consteel-Electronics. Jest to jednoportowy, przemysłowy serwer obsługujący wszystkie trzy standardy transmisji szeregowej RS232/422/485. Złącze RS232 to standardowe DB9. Natomiast dla RS422 i RS485 przewidziano zaciski śrubowe. Sieć Ethernet podłączymy przez standardowe RJ45 (a właściwie 8P8C – wtajemniczeni wiedzą o co chodzi). Całość została zamknięta z metalowej obudowie o niewielkich wymiarach 100x69x22mm z montażem śrubowym do płyty. Oczywiście możemy doposażyć się w uchwyt i zamontować na standardowej szynie DIN TH35. Urządzenie domyślnie zasilane jest prądem stałym z dołączonego zasilacza 12VDC. Aczkolwiek może być zasilone znacznie szerszym zakresem napięcia od 9 do 48 VDC, dzięki czemu idealnie wpisuje się w przemysłowy standard 24VDC. Przy napięciu 12VDC urządzenie pobiera moc jedynie 1.4W i może być z powodzeniem stosowane w układach z podtrzymaniem akumulatorowym i zasilaczach buforowych.
Warto zwrócić uwagę na zakres dozwolonych temperatur: od -40°C do +75°C. Jeśli wydaje Ci się, że takie temperatury są nieosiągalne, to przytoczę jedno z moich zastosowań. Konkretnie chodzi o zdalny odczyt liczników energii czy mediów, lub po prostu komunikacji ze sterownikami w branży wod-kan. Często takie szafki sterownicze stoją gdzieś na osiedlach lub niemal pośrodku niczego :). Zatem w okresie zimowym temperatura wewnątrz jeśli nie użyto grzałki (lub uległa awarii) może spaść do temperatury otoczenia. A jeśli wszystkie urządzenia mają tak szeroki zakres temperatur to użycie grzałki może być niepotrzebne. Natomiast latem, gdy szafki znajdują się w pełnym słońcu temperatura znacząco przekracza temperaturę otoczenia. Uzupełnieniem jest praca w wilgotności względnej nawet 95%. Dlatego tak ważne jest zwracanie uwagi na zakres dozwolonych temperatur pracy i rozsądne dobieranie urządzeń.
Podstawę komunikacji stanowi port szeregowy. Dane mogą być przesyłane w ramkach 5, 6, 7 i 8 bitowych, z 1, 1.5 i 2 bitami stopu oraz standardowymi opcjami parzystości bitów: None, Even, Odd, Space, Mark. Prędkości transmisji sięgają od 300 do 115200bps. RS232 obsługuje oczywiście RTS, CTS, DTR, DSR i dopuszcza komunikację na odległość 15m. Magistrale RS485 mogą sięgać standardowych 1200m i zawierać do 32 punktów.
Od strony Ethernetu mamy dostępną standardową komunikację z autonegocjacją prędkości 10/100Mbps oraz obsługą protokołów TCP, UDP, APR, ICMP oraz DHCP. Nie będzie zaskoczeniem jeśli powiem, że odległość to również standardowe 100m. Dopuszczalne jest do 4 połączeń TCP na jeden port szeregowy. Może pracować w jednym z trybów:
- TCP Server – zezwala na połączenie z urządzeniem i przesyłanie danych do i z portu COM,
- TCP Client – urządzenie stara się nawiązać komunikację z zadanym adresem IP i przekierowuje dane z portu COM,
- UDP – standardowy protokół internetowy,
- Real COM – tryb pozwalający na odwzorowanie w systemie operacyjnym typu Windows portu szeregowego, mimo iż faktyczne łącze odbywa się przez Ethernet,
Natomiast wszystkie te szczegóły techniczne przykrywa maksymalnie uproszczona konfiguracja urządzenia. Mój ulubiony sposób to wykorzystanie webserwera. Kilka kliknięć i wszystko ustawione mamy tak jak chcemy. A zrobić to możemy dosłownie z dowolnego miejsca za sprawą Ethernetu/Internetu oby nie namieszać w adresacji IP 🙂 . Konfigurację możemy również wykonać za pośrednictwem programu na Windows, telnetu, a nawet od strony portu szeregowego.
Integratorów i projektantów mogą zainteresować standardy, które spełnia urządzenie. W końcu często znajdujemy jakieś rozwiązanie i nagle okazuje się, że ze względu na szczególne zastosowanie niemożliwe jest jego użycie bo nie spełnia przewidzianych norm. Tymczasem NP301 może pochwalić się zachowaniem norm EMC z zabezpieczeniem prądowym i przeciwprzepięciowym. Jeśli znasz dokładne nazwy norm dla Twojej aplikacji, porównaj je z tymi poniżej:
- EMI: FCC Part 15, CISPR (EN55022) klasa A
- EMS:
- EN 61000-4-2 (ESD) Poziom 4
- EN 61000-4-3 (RS), Poziom 2
- EN 61000-4-4 (EFT), Poziom 3
- EN 61000-4-5 (Surge), Poziom 2
- EN 61000-4-6 (CS), Poziom 2
- Wstrząsy: IEC 60068-2-27
- Swobodny spadek: IEC 60068-2-32
- Wibracje: IEC 60068-2-6
Na koniec tylko wspomnę o 5-letniej gwarancji. Ten okres często spotykałem jako czas gwarancji na dany system, więc dobrze jeśli użyte w nim komponenty również objęte były takim samym okresem gwarancyjnym. Model NP301 to wariant jednoportowy, ale dostępne są również wersje wieloportowe, dzięki czemu bez problemu obsłużymy kilka urządzeń RS232 jednocześnie lub kilka niezależnych magistral RS485.
Podsumowanie
Serwery portów szeregowych to szczególnie przydatne urządzenia w systemach automatyki przemysłowej i budynkowej oraz niezwykle przydatne urządzenia w codziennej pracy automatyka. Jestem pewien, że urządzenia z komunikacją szeregową jeszcze przez długi czas będą stale użytkowane i wdrażane w nowych systemach sterowania.
Osobiście przekonałem się do nich do tego stopnia, że w większości przypadków serwisowego podłączenia szeregowego do urządzeń automatyki wolę użyć serwera portów szeregowych, niż konwertera na USB pomimo konieczności posiadania zewnętrznego źródła zasilania. Jakoś tak po prostu mi jest wygodniej 😀 .
Przy okazji pisania tego artykułu, niejako ukradkiem zerknąłem na ogólną ofertę na stronie Consteel-Electronics i znalazłem tam naprawdę dużo różnych, ciekawych urządzeń przeznaczonych do komunikacji przemysłowej. Jeśli szukasz jakiegoś konwertera sygnałowego, bramki protokołów zerknij na ich ofertę, bo naprawdę jest w czym wybierać, a dodatkowo ceny w porównaniu do konkurencji są naprawdę przystępne.
