Консольные серверы и шлюзы Phoenix Contact: интеграция любых последовательных данных в сеть Ethernet

В настоящее время автоматизация достаточно глубоко проникла во все направления промышленности, и уже сложно себе представить завод, комбинат, электрическую станцию без АСУ ТП, системы мониторинга, системы учета и возможности передавать данные в удаленный диспетчерский пункт. Более того, во многих областях промышленности все большую популярность набирают такие IT-тренды, как IIoT (Industrial Internet of Things), Industry 4.0, облачные хранилища, защищенный удаленный доступ к технологическому объекту. И сейчас уже не видится возможным построить современную АСУ ТП объекта и тем более внедрять вышеперечисленные тренды без использования сетей на основе Ethernet.

Но всегда, если только речь идет не о новом объекте, решение организовать АСУ ТП на основе Ethernet сразу же вызывает следующие вопросы:

• Что делать с критичными системами, которые взаимодействуют по последовательным интерфейсам и не могут быть подключены к Ethernet, если вывод данных систем из работы подразумевает остановку производства и серьезные издержки?
• Что делать с оборудованием, которое не поддерживает Ethernet, но при этом полностью пригодно к эксплуатации и может работать, выдерживая все требования еще многие
  годы?
• Что делать с узкоспециализированным оборудованием, которое поставляется исключительно с последовательными интерфейсами, и модификаций с интерфейсом Ethernet на рынке нет в принципе?

Замена всего существующего оборудования с последовательными интерфейсами на оборудование с поддержкой Ethernet является крайне дорогим и неэффективным решением. Необходим способ интегрировать существующее оборудование и системы в новую АСУ ТП.

Также часто возникают задачи связать оборудование на дистанции свыше 100 м, но оптические кабели и оборудование требуют серьезных затрат, в том числе и сложный монтаж, и особенно при обрывах кабеля. Медные линии проще и дешевле, если не требуется высокая скорость передачи данных и нет больших электромагнитных помех. Поэтому интерфейс RS-485 по-прежнему популярен в АСУ для построения полевых сетей.

Для решения этих задач в настоящее время используются преобразователи последовательных интерфейсов в Ethernet, которые также называют серверами портов. Серверы портов позволяют интегрировать устройства с последовательными интерфейсами в сеть Ethernet несколькими способами:

• Передавая «сырые» данные внутри Ethernet-фрейма.
• Преобразуя последовательные протоколы передачи данных (ASCII, Modbus RTU, Modbus ASCII и другие) в TCP/IP подобные протоколы (Modbus TCP, PROFINET, Ethernet/IP и другие).

Phoenix Contact представляет новую линейку серверов портов, которые позволяют интегрировать в ЛВС (локально-вычислительную сеть) на основе Ethernet любые последовательные устройства и реализуют широкий ряд возможностей. Линейка состоит из следующих моделей:

• GW DEVICE SERVER — серверы портов, которые позволяют передавать «сырые» последовательные данные в составе Ethernet-фрейма.
• GW MODBUS TCP/ASCII — шлюзы, которые позволяют преобразовывать протокол ASCII в протокол Modbus TCP.
• GW MODBUS TCP/RTU —шлюзы, которые позволяют преобразовывать протоколы Modbus RTU и Modbus ASCII в протокол Modbus TCP.
• GW EIP/ASCII — шлюзы, которые позволяют преобразовать протокол ASCII в протокол Ethernet IP.
• GW PN/ASCII — шлюзы, которые позволяют преобразовать протокол ASCII в протокол PROFINET.

Соответственно каждая из моделей доступна в четырех модификациях с различным количеством портов. Все возможные варианты конвертации протоколов и модели, которые могут выполнять соответствующие преобразования, представлены в таблице.

Устройства разработаны для промышленного применения, имеют высокий уровень защиты от электромагнитных помех и широкий температурный диапазон от —40°С до +70°С.

Конфигурация устройств выполняется через встроенный web-сервер. Для осуществления диагностики предусмотрена упрощенная версия терминала, интегрированная в web-интерфейс. С его помощью возможно осуществлять мониторинг передаваемых данных — в окне терминала отображаются сообщения, которые отсылаются и принимаются через последовательные порты в режиме реального времени. Это позволяет обнаружить ошибки конфигурации (например, неправильно выставленная четность) или монтажа (перепутанные местами RX и TX), а также выполнять диагностику в случае возникновения проблем с передачей данных без необходимости использования стороннего ПО.

Серверы портов часто используются для передачи важных данных — информация с RFID-меток, платежных терминалов и т. д. Преобразователи линейки GW имеют возможность шифрования данных с использованием алгоритма AES с длиной ключа до 256 бит, что позволяет передавать критичную информацию в защищенном виде.

На основе данных устройств, возможно решить широкий диапазон задач:

• Передача последовательных данных через сеть Ethernet (передача данных точка-точка, точка-многоточка).
• Создание виртуального COM-порта.
• Преобразование протокола ASCII в протокол Modbus TCP / RTU, PROFINET и Ethernet / IP.
• Преобразование протоколов Modbus RTU / ASCII в Modbus TCP.
• Организация обмена данными между мастерами Modbus (общая память Modbus).
• Создание частной сети Modbus.
• Подмена адресов устройств Modbus.
• Организация взаимодействия ведомого устройства Modbus TCP с мастером Modbus RTU / ASCII.

Передача последовательных данных через сеть Ethernet (передача данных точка-точка, точка-многоточка)

Наиболее общее применение серверов портов — это соединение двух (точка-точка) или более (точка-многоточка) последовательных устройств в существующую сеть Ethernet. Сервер портов «упаковывает» последовательные данные в Ethernet-фрейм, т. е. последовательные данные инкапсулируются в сообщение. Другие последовательные устройства также подключаются к ЛВС посредством серверов портов, поэтому для того, чтобы сервер портов «знал», куда передавать данные, в конфигурации указываются адреса удаленных преобразователей, на которые будут передаваться данные.

Такое применение позволяет обойти ограничения по дальности передачи данных последовательного интерфейса (например, 15 м для RS-232).

Создание виртуального COM-порта

Зачастую на промышленном объекте используется ПО, которое может взаимодействовать с устройствами только через COM-порт. Чтобы обойти это ограничение и позволить программе общаться с последовательным устройством через сеть Ethernet, на рабочей станции, где установлено ПО, необходимо создать виртуальный COM-порт.

Виртуальный COM-порт — это удаленный COM-порт сервера портов, который на рабочей станции определяется как физическое устройство, установленное на самой станции. На самом же деле специализированное ПО (COM Port Redirector) или драйвер позволяет обращаться к COM-порту сервера портов по IP-адресу преобразователя. Данные специализированные ПО и драйвер могут быть скачаны с сайта Phoenix Contact.

Преобразование протокола ASCII в протокол Modbus TCP/RTU, PROFINET и Ethernet/IP

Устройства GW MODBUS TCP/ASCII и GW EIP/ASCII позволяют преобразовать протокол ASCII в протоколы Modbus TCP, Modbus RTU и Ethernet/IP. Благодаря этому функционалу можно к существующей сети Ethernet (Modbus TCP, Ethernet/IP) или к существующей сети Modbus RTU подключить устройства, передающие данные по протоколу ASCII — считыватели штрих-кодов, складские весы и т. д.

Преобразование протоколов Modbus RTU/ASCII в Modbus TCP

Устройства Modbus с последовательным интерфейсом могут быть подключены к сети Modbus TCP. Каждому последовательному порту возможно назначить отдельный TCP-порт для удобства подключения.

Организация обмена данными между мастерами Modbus (общая память Modbus)

Функция «общей памяти» (Shared Memory) позволяет организовать взаимодействие мастер-мастер через устройство GW MODBUS TCP / RTU. В данном случае сервер портов GW MODBUS TCP / RTU эмулирует ведомое устройство Modbus, и каждый из мастеров может читать и записывать переменные из «общей памяти», таким образом реализуя передачу данных между мастерами Modbus.