Замена проводов радиоканалом при работе с промышленным оборудованием

25 августа 2016

автоматизацияСМКстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологии

Денис Бушунов (ООО «СМК»)

Использование радиоканала в промышленной автоматизации улучшает удобство пользования оборудованием и повышает безопасность эксплуатации. В статье показано, как с помощью радиомодемов RFSerialBridge компании ООО «СМК», частотного преобразователя ПЧВ и панели оператора ИП320 компании «ОВЕН» можно вынести элементы контроля и управления двигателем на значительное расстояние. Применение готовых законченных модемов, работающих в режиме радиоудлинителя RS-232/RS-485, упрощает задачу до уровня подключения нескольких разъемов и выбора правильных настроек оборудования.

Радиомодем RFSerialBridge

Рис. 1 Радиомодем RFSerialBridge

Рис. 1 Радиомодем RFSerialBridge

Радиомодем RFSerialBridge является конструктивно законченным изделием для монтажа на DIN-рейку (рис.1) и предназначен для работы в качестве «прозрачного» беспроводного удлинителя для самых распространенных индустриальных последовательных интерфейсов. Обобщенные технические характеристики модемов RFSerialBridge приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики модемов RFSerialBridge

Параметр Значение Примечание
Диапазон частот
  • 868 МГц
  • 2,4 ГГц
Определяется типом установленного радио модуля
Максимальная дальность радиосвязи 868 МГц 10 км При условии прямой радиовидимости антенн и использовании радиомодуля 868 МГц с усилителем мощности и длине кабеля не более одного метра с суммарными потерями не более 3 дБ
Максимальная дальность радиосвязи 2,4 ГГц 2,3 км При условии прямой радиовидимости антенн и использовании радиомодуля 2,4 ГГц с усилителем мощности и длине кабеля не более одного метра с суммарными потерями не более 3 дБ
Выходная мощность 1…100 мВт Определяется типом установленного радио модуля и программными настройками
Интерфейсы
  • RS-232
  • RS-485
  • USB
Одновременно может быть задействован только один (выбирается с помощью внутренних перемычек)
RS-232 до 1 Мб/с 4 активные линии RX,TX, CTS, RTS
RS-485 до 0.5 Мб/с Полудуплексный режим. С гальванической изоляцией 1000 В.
USB USB1.1/USB2.0 Full Speed Виртуальный COM-порт  до 3 Мб/с
Светодиодная индикация
  • Питание
  • Rx/Tx/RTS/CTS
  • RF Rx / RF Tx
  • Link
Кнопки управления
  • Reset
  • Ping/NetworkReset
Напряжение питания 5 … 36 В Возможно питание от USB-разъема
Ток потребления 37 … 1000 мА При питании от источника с напряжением 24В
Рабочий температурный диапазон -40С..+80С
Габаритные размеры 117 х 88 х 60 мм Монтаж на DIN-рейку

Модем оснащен тремя интерфейсами для подключения к внешним устройствам — RS-232/RS-485/USB, причем одновременно может быть задействован только один из них (выбирается с помощью внутренних перемычек). При работе по RS-232 используется 4-проводное подключение (линии RX, TX, CTS, RTS) с помощью стандартного разъема DB-9 (папа). Интерфейс RS-485 выведен на 4-контактную клеммную колодку. На эту же колодку выведено опциональное напряжение 5В для питания внешних узлов. В типовом варианте подключения используются только два контакта разъема — линии A и B интерфейса RS-485. Несомненным достоинством модема является гальваническая изоляция интерфейса RS-485, что обеспечивает безопасное подключение к любому промышленному оборудованию, вне зависимости от используемой фазы питающей сети 220/380В. Интерфейс USB работает в режиме виртуального COM-порта и удобен в том случае, если один из модемов радиолинка должен быть подключен к персональному компьютеру. Таким образом, можно осуществить беспроводное соединение различного оборудования, при этом на разных концах можно использовать разные интерфейсы, осуществляя, таким образом, функцию конвертера интерфейсов (рис. 2).

Рис. 2 Варианты использования радиомодемов RFSerialBridge

Рис. 2 Варианты использования радиомодемов RFSerialBridge

С точки зрения оконечного устройства подключенного по последовательному интерфейсу (RS-232/RS-485/USB) к первому модему, порт модема эквивалентен оконечному оборудованию, подключенному по любому последовательному интерфейсу (RS-232/RS-485/USB) к порту второго модема. Таким образом, между последовательными портами двух связанных в единый радиолинк модемов существует прозрачный канал передачи данных. Поэтому два оконечных устройства «не видят», что вместо прямого проводного соединения между ними в реальности существует радиоканал протяженностью до нескольких километров. Когда оконечное устройство, подключенное к первому модему передает данные, эти данные выходят из последовательного порта второго модема в неизменном виде (и наоборот).  Так работает система в идеальном случае. В реальности, потенциальная проблема может возникать из-за задержек передачи данных, связанных с объединением непрерывного потока данных в пакеты, передаваемые по эфиру. Вторая причина возникновения задержек – это ошибки в радиоканале и связанные с этим повторные отправки. С практической точки зрения это выглядит как возникновение пауз между группами символов. При высоком уровне принимаемого сигнала и отправке коротких пакетов данных (не более нескольких десятков байт) этой проблемы не возникает. В общем случае, только от конечного приложения зависит, насколько критичными будут являться задержки при передаче  данных. В рассматриваемом в конце статьи примере управления двигателем  подобных проблем не возникало.

Основные топологии радиосетей, где могут использоваться модемы RFSerialBridge – это «Точка-точка» и «Звезда». При необходимости передачи данных на большие расстояния применяется специальная конфигурация «Звезда с повторителями».  Перечень доступных с сайта производителей прошивок (Firmware) модемов приведен в таблице 2. Компания имеет штат разработчиков, готовых в короткие сроки разработать модифицированную под требования заказчика версию прошивки.

Таблица 2. Программное обеспечение радиомодемов RFSerialBridge

153 Кб Bootloader.rar; Программное обеспечение, предназначенное для обновления «прошивки» радиомодулей MBee всех типов, позволяющее производить настройку параметров интерфейса UART
33 Кб SW4113.smcbin «Прошивка» для радиомодуля MBee-868-3.0 с сетевой ролью «LinkTo» для работы в составе RFSerialBridge с параметрами интерфейса UART: 9600 8Т1 CTS RTS
33 Кб SW4114.smcbin «Прошивка» для радиомодуля MBee-868-3.0 с сетевой ролью «LinkListen» для работы в составе RFSerialBridge с параметрами интерфейса UART: 9600 8Т1 CTS RTS
126 Кб SW1111.smcbin «Прошивка» для радиомодуля MBee-2.4-2.1 с сетевой ролью «координатор» для работы в составе RFSerialBridge с параметрами интерфейса UART: 9600 8Т1 CTS RTS
125 Кб SW1112.smcbin «Прошивка» для радиомодуля MBee-2.4-2.1 с сетевой ролью «маршрутизатор» для работы в составе RFSerialBridge с параметрами интерфейса UART: 9600 8Т1 CTS RTS

Модемы RFSerialBridge построены на базе радиомодулей MBee. Существуют версии модемов для диапазонов 868 МГц и 2,4 ГГц, что определяется конкретным типом установленного внутрь радиомодуля. При использовании радиомодулей MBee-868-2.0 обеспечивается максимальная дальность связи, которая может достигать единиц и даже десятков километров (при прямой видимости антенн). Фотография внутренней платы модема с установленным модулем MBee-S1G-2.0 приведена на рис. 3

Рис. 3 Внутренняя плата модема RFSerialBridge  с установленным модулем MBee-S1G-2.0

Рис. 3 Внутренняя плата модема RFSerialBridge  с установленным модулем MBee-S1G-2.0

В принципе, в модемах RFSerialBridge могут использоваться разные модули – как диапазона 868 МГц, так и 2,4 ГГц. При использовании модулей MBee v2.1 диапазона 2,4 ГГц можно реализовать беспроводную сеть «Звезда» или полноценную сеть ZigBee. Выбор разумной топологии сети, рабочего диапазона частот и оптимальных настроек радиочастотных параметров модулей зависит от решаемой задачи.  Следует учитывать, что при использовании Mesh-сети с ретрансляцией пакетов возрастают задержки передачи данных, что может явиться препятствием для систем управления в реальном времени. Если вы не уверены в возможности работы вашего оборудования по беспроводному каналу, то разумным выходом будет обратиться к инженерам компании ООО «СМК» за консультацией.

Беспроводное управление двигателем: практический тест

Для практического знакомства с возможностями модема RFSerialBridge воспользуемся оборудованием компании ОВЕН для систем промышленной автоматизации. Организуем беспроводное управление обычным трехфазным асинхронным двигателем. Для изменения числа оборотов будем использовать частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ. Данный преобразователь позволяет производить удаленное управление с помощью выносной панели оператора ИП-320, которая подключается с помощью интерфейса RS-485. В нашем эксперименте мы разорвем прямое соединение ИП-320 и ПЧВ и поставим в разрыв два радиомодема RFSerialBridge. Упрощенная блок-схема тестовой установки приведена на рисунке 4. На схеме не показаны источники питания.

Рис. 4 Блок-схема подключения оборудования

Рис. 4 Блок-схема подключения оборудования

Для того чтобы ни панель оператора, ни частотный преобразователь не «заметили» изменения в способе связи необходимо установить в настройках RFSerialBridge параметры передачи данных по последовательному порту RS-232/RS-485 в те же значения, что и порты подключаемого оборудования. Для оборудования ОВЕН использованы следующие настройки – скорость передачи 9600, 8 бит, без четности. В частотный преобразователь были внесены минимальные изменения относительно заводских настроек:

  • Настройки связи: 8-30=2 (Modbus RTU); 8-33=2 (1 стоп-бит, нет контроля четности).
  • Источник задания: 3-15=11; 3-16=0; 3-17=0 (задание только по RS-485).

Изменение настроек производится с панели прибора.

В панель оператора ИП-320 был загружен демонстрационный проект по управлению ПЧВ, который описан на сайте производителя http://www.owen.ru/uploads/pchv+ip.pdf .

Для того, чтобы продемонстрировать возможность использования разных интерфейсов, при подключении RFSerialBridge к ИП-320 был задействован интерфейс RS-232, а к ПЧВ второй RFSerialBridge соединялся с помощью двух линий RS-485.

Рис. 5 Управление ПЧВ ОВЕН по радиоканалу

Рис. 5 Управление ПЧВ ОВЕН по радиоканалу

Рабочий макет системы (рис. 5) показал корректную работу панели оператора по беспроводному каналу через два RFSerialBridge. Как и в случае проводного подключения можно было менять скорость вращения двигателя и отображать реальные показатели его работы. Режим отображения параметров (рис. 6) продолжает нормально работать и при переключении ПЧВ на локальное управление, когда скорость вращения задается потенциометром на лицевой панели частотного преобразователя.

Рис. 6 Дистанционное отображение параметров двигателя

Рис. 6 Дистанционное отображение параметров двигателя

•••

Наши информационные каналы

О компании Системы, модули и компоненты

Российская компания-разработчик ООО «Системы, модули и компоненты» (CMK) начала свою деятельность в 2007 году и специализируется на разработке маломощных беспроводных модулей для всех нелицензируемых диапазонов. Компания CMK имеет свой собственный штат инженеров, готовых оптимизировать свою продукцию под любое применение конечного изделия, при этом срок разработки не превышает двух – трех недель. Также на сайте производителя загружены и находятся в свободном доступе ряд стандартных прошивок п ...читать далее

Товары
Наименование
RFSerialBridge v2.1 [868 МГц] (СМК)
RFSerialBridge v2.1 - 2.4 (СМК)
RFSerialBridge v2.1 - 868 (СМК)
RFSerialBridge v2.1 [2.4 ГГц] (СМК)
Поиск по параметрам
Радиомодемы RFSerialBridge в каталоге