O Conversor Serial Ethernet MUX-10
Resumo - O Conversor Serial Ethernet MUX-10 é um protótipo destinado a interconectar equipamentos baseados em porta serial assíncrona, a sistemas baseados em rede Ethernet / IP. Devido ao seu grande número de portas seriais, permite concentrar diversos IED em um único ponto de rede. Sua configuração flexível facilita o gerenciamento da comunicação. Dispõe de encaminhamento DNP3, onde os dados são validados antes do envio, e dispõe também encapsulamento para enviar mensagens de forma transparente, permitindo atender os mais diversos tipos de protocolos possíveis.
Palavras-chave - Automação, Chaveador, Comunicação, Protocolo DNP V3.0, Subestações de Energia.
I. INTRODUÇÃO
A Coelba (Companhia de Eletricidade da Bahia) vem utilizando cada vez mais a rede Ethernet para comunicação entre as subestações de energia e os centro de operação e controle, em detrimento da comunicação serial implementada principalmente pelo padrão RS-232. Essa é uma tendência que cresce cada vez mais. A substituição da comunicação serial pela comunicação Ethernet tem muitos pontos a favor:
• facilidade e padronização de estabelecer conexão Ethernet;
• utilização da rede já existente;
• acesso ao equipamento de qualquer local que exista um ponto conectado a rede;
• a Ethernet é o meio padrão de acesso a satélites;
Apesar do uso cada vez mais intenso da Ethernet, a concessionária ainda dispõe de um número elevado de equipamentos instalados em campo que não oferecem esse tipo de interface para comunicação. Para evitar a substituição desses equipamentos, a concessionária tem utilizado conversores serial/Ethernet, isolados.
Essa solução embora possível, possui alguns inconvenientes:
• Custo elevado dos conversores serial/Ethernet isolados em comparação a conversores serial/Ethernet integrados, tanto em valores absolutos como em relação custo/benefício;
• Compra de conversores de diversos fabricantes, dificultando a padronização;
• Configuração de cada conversor individualmente, aumentando o tempo gasto para configurar e aumentando o risco de falhas;
• Os conversores serial/Ethernet isolados existentes não oferecem a possibilidade de atualização de firmware, enquanto que os conversores integrados podem disponibilizar essa funcionalidade, adequando o equipamento a novas funcionalidades, aumentando a vida útil do mesmo.
II. DESENVOLVIMENTODOPROTÓTIPO O protótipo do MUX-10 teve como início a escolha do módulo CPU, juntamente com a escolha dos CI que iriam compor as UARTS. Com essas partes principais escolhidas iniciou-se a seleção dos componentes auxiliares e a confecção da placa de circuito impresso.
O protótipo ficou com a seguintes características:
• Módulo CPU;
• Porta Ethernet 10/100 para comunicação e atualização;
• 16 portas seriais para comunicação DNP3 ou transparente conforme configuração;
• 1 porta serial para configuração local;
• 1 porta serial para atualização;
• Fonte chaveada de faixa ampla (80 a 250 AC/DC);
• Formato padrão de rack 19”.
Uma vez definido os componentes e as funcionalidades partiu-se para a confecção da placa de circuito impresso, e a codificação do firmware.
M. B. Pereira, E. Araujo, ENAUTEC e F. Santana, COELBA
Junto com a codificação do firmware foi desenvolvido um aplicativo para configurar o equipamento remotamente (figura 1). A configuração consiste em alterar os parâmetro de velocidade das portas seriais, endereço DNP3, e parâmetros de comunicação pela Ethernet.
Figura 1 – Configurador do MUX-10
III. TESTESEMLABORATÓRIO
Após a confecção de um protótipo inicial, teve-se início os testes de laboratório, onde algumas falhas de projeto foram corrigidas, gerando modificações tanto no projeto da placa como no firmware.
Após as correções iniciais e com o protótipo mais estável, iniciou-se os testes de desempenho. Para efetuar esses testes, algumas ferramenta foram desenvolvidas. Essas ferramentas foram softwares criados em linguagem visual, que tinham como função excitar o MUX-10 como se fossem equipamentos reais. Esses software eram executados em PC e eram conectados ao MUX-10 pela Porta Ethenrt ou porta serial conforme o caso:
Escravo Ethernet (Figura 2): Programa que se comunica pela Ethernet. Ele fica permanentemente escutando a rede e aceita qualquer conexão encaminhada para ele. Uma vez estabelecida essa conexão, ele responde automaticamente qualquer mensagem recebida, que tenha um padrão previamente estabelecido.
Figura 2 – Escravo Ethernet
Escravo Serial (figura 3): Programa que se comunica pela serial. Ele responde automaticamente qualquer mensagem recebida, que tenha um padrão previamente estabelecido. Diferentemente do Escravo Ethernet, ele não precisa de conexão para iniciar a comunicação.
Figura 3 – Escravo Serial
Mestre Ethernet (figuras 4 e 5): Programa que se comunica pela Ethernet. Ele inicia uma conexão e a partir daí começa a enviar mensagens com um padrão definido. Após o envio da mensagem ele aguarda um tempo definido para a confirmação da mensagem enviada. Caso a mensagem não seja recebida dentro de um tempo máximo, será computado como falha no encaminhamento. Se a confirmação for recebida dentro do prazo será computado como mensagem confirmada.
Após a confirmação ou não da mensagem, uma nova mensagem é enviada.
Figura 4 – Mestre Ethernet -Tela de estatística
Figura 5 – Mestre Ethernet -Tela de configuração
Mestre serial (figurar 6 e 7): Programa que se comunica pela serial. Ele envia uma mensagem e aguarda um tempo definido para a confirmação da mensagem enviada. Caso a mensagem não seja recebida dentro de um tempo máximo, será computado como falha no encaminhamento. Se a confirmação for recebida dentro do prazo será computado como mensagem confirmada. Após a confirmação ou não da mensagem, uma nova mensagem é enviada.
Figura 6 – Mestre Serial - Tela de estatística
Figura 7 – Mestre Serial - Tela de configuração
Utilizando esses quatro softwares em conjunto, foi possível testar o MUX-10 e definir seus limites de funcionamento iniciais.
Os testes foram executados da seguinte forma:
1. Teste de porta isolada: Nesse teste, cada porta serial do MUX-10 foi testada individualmente, conforme os dois esquemas abaixo:
Esquema 1 (Figura 8): Nesse esquema, Ligou-se o software Mestre Ethernet na porta Ethernet do MUX- 10 e ligou-se o software Escravo Serial na porta serial 1 do MUX-10. Com o Configurador, o MUX-10 foi preparado para encaminhar as mensagens recebidas pelo IP do Mestre Ethernet para a porta serial 1 e vice- versa. Finalizada a preparação o Mestre Ethernet iniciou o envio de mensagens para o MUX-10, aguardando a posterior confirmação. Nesta configuração, a porta serial foi testada nas velocidade de 1200 até 115200, passando por cinco valores intermediários. Foram feitos testem com mensagens de tamanho variando entre 50 e 200 bytes.
Finalizado os testes na Serial 1, os teste foram repetidos nas outras portas seriais (Serial 2 até serial 16)
Figura 8 – Teste de porta isolada Esquema 1
Esquema 2 (Figura 9): Nesse esquema, Ligou-se o software Escravo Ethernet na porta Ethernet do MUX- 10 e ligou-se o software Mestre Serial na porta serial 1 do MUX-10. Com o Configurador, o MUX-10 foi preparado para encaminhar as mensagens recebidas pelo IP do Mestre Ethernet para a porta serial 1 e vice- versa. Finalizada a preparação o Mestre Serial iniciou o envio de mensagens para o MUX-10, aguardando a posterior confirmação. Nesta configuração, a porta serial foi testada nas velocidade de 1200 até 115200, passando por cinco valores intermediários. Foram feitos testem com mensagens de tamanho variando entre 50 e 200 bytes.
Finalizado os testes na Serial 1, os teste foram repetidos nas outras portas seriais (Serial 2 até serial 16)
Figura 9 – Teste de porta isolada Esquema 2
2. Teste de porta agrupada (figura 10): Para o teste de porta agrupada, partiu-se do esquema de teste de porta isolada, e aumentou-se o número de Escravos Seriais conectados ao mesmo tempo até atingir oito Escravos seriais falando ao mesmo tempo com oito Mestres Ethernet.
Figura 10 – Teste de porta agrupada
Os testes com portas agrupadas também foram feitos utilizando Escravo Ethernet e Mestre Serial. Após os teses de laboratório, o protótipo foi testado em campo, com equipamentos reais. Os testes em campo apontaram algumas falhas que precisaram ser corrigidas. Após as novas correções o protótipo voltou para o campo onde as falhas não mais foram apresentadas.
IV. CARACTERÍSTICASFINAIS
Após as modificações efetuadas no MUX-10 durante as fases de testes, suas características ficaram assim definidas:
• Comunicação Ethernet:
- Velocidade: 10/100
- Configuração: Endereço IP, Porta IP, máscara Ethernet, Gateway
• Comunicação Serial:
- Velocidade: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 e 115200
- Tamanho da palavra de dados: 5, 6, 7 e 8;
- Paridade: Sem paridade, paridade par e paridade ímpar;
- Bits de parada: 1 e 2;
As portas seriais podem ser divididas em dois modos de operação diferentes, conforme se utilize o protocolo DNP3 ou utilize o encaminhamento direto, livre de protocolo.
Se a porta serial for configurada para o modo que utiliza protocolo DNP3, deverá ser especificado o endereço DNP3 associado a esta porta. Neste grupo, todas as portas irão se comunicar utilizando um único socket. Do lado Ethernet, deverá ser fornecido o endereço DNP3 master, juntamente com o IP e porta de destinos que irão compor o socket DNP3.
Se a porta serial for configurada para o modo que utiliza encaminhamento direto (transparente), deverá ser especificado o endereço IP e a porta TCP de destino para cada porta serial configurada. Neste modo, cada serial irá se comunicar utilizando um socket específico.
Atraso de encaminhamento: Para mensagens de 200 bytes, o atraso de encaminhamento foi menor que 1 segundo, com oito portas falando ao mesmo tempo.
A figura 11 apresenta uma visão traseira do MUX- 10, evidenciando as 16 portas seriais de conexão.
Figura 11 – Vista traseira do MUX-10
V. CONCLUSÃO
A Ethernet é um meio de comunicação bastante difundido nos escritórios. A confiança conseguida durante anos de uso, tem despertado o interesse para utiliza-la também em ambientes mais exigentes. Esse trabalho demonstrou que é possível gerar soluções criativas e economicamente viáveis para o emprego da Ethernet em subestações de energia elétrica.
VI. AGRADECIMENTOS
A equipe técnica agradece à Coelba, pelo apoio recebido na montagem do protótipo, suporte para os testes; à Enautec por viabilizar todas as etapas de desenvolvimento do aparelho; e à ANEEL, cujo programa de incentivo à Pesquisa mostra que vale a pena investir na capacidade técnica nacional.
VII. REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS Normas:
[1] Distributed Network Protocol v3.0 documentation Library, DNP3 Users Group, March 2002.
[2] PC/104 Specification Version 2.3, PC/104 Consortium, June 1996.
Livros:
[3] Anderson, Don, Swindle, John and Shanley, E. Tom. “Isa.
System Architecture”. Addison-Wesley Pub Co, 1995.
[4] Berger, Arnold S. “Embedded Systems Design: A Step-by-Step Guide”. CMP Books, 2001.
[5] Ken, Arnold. “Embedded Controller Hardware Design”. Llh Technology Pub, 2001.
[6] Montoro, F. Azevedo. “Modem e Transmissão de Dados”. 3a edição. Érica, 1990.
[7] Nelson, Mark. “Serial Communications Developer´s Guide”.
2nd edtion. M&T Books, 2000.
[8] Santos, Jeremias e Júnior, Edison. “Programando em Assembler 8086/8088”. McGraw-Hill, 1989.
