Comunicação Ethernet/Serial via Terminal Servers

Este documento descreve a configuração e utilização de Conversores Ethernet-Serial modelos EKI-1222 e EKI-152X da Advantech com as séries Nexto e Hadron Xtorm.

Para o entendimento total do funcionamento dos equipamentos, é recomendado que os seus manuais sejam consultados. A mesma recomendação aplica-se caso seja necessário modificar a arquitetura proposta como exemplo.


Público-Alvo

Esta nota de aplicação foi desenvolvida para auxiliar integradores de sistemas que utilizam as séries Nexto ou Hadron Xtorm e necessitam uma solução confiável de conversão Ethernet-Serial para os protocolos MODBUS ou DNP3.


Conversor Ethernet-Serial com Protocolo MODBUS na Série Nexto

A rede de comunicação multimestre permite que as UCPs Nexto leiam ou escrevam variáveis MODBUS em outros controladores, IHMs ou Conversores compatíveis com os protocolos MODBUS TCP ou MODBUS RTU via TCP. A UCP Nexto pode, simultaneamente, ser cliente e servidor em uma mesma rede de comunicação, ou até mesmo ter mais instâncias associadas à interface Ethernet, indiferente se as mesmas são MODBUS TCP ou MODBUS RTU via TCP.

EKI-1524 da Advantech pertence a uma série, EKI-152X, de servidores de dispositivos industriais, robustos e ricos em recursos, sendo muito eficaz para habilitação de equipamentos em um ambiente de automação industrial. A série EKI 152X proporciona uma, duas ou quatro portas seriais, tendo duas portas Ethernet independentes, o que melhora consideravelmente a confiabilidade e conectividade do dispositivo, aumenta a estabilidade do sistema e simplifica a configuração redundante, tornando-os uma solução ideal para ligar vários dispositivos seriais RS-232/422/485 a uma rede Ethernet MODBUS/TCP.

EKI-1222 da série EKI-122X de Gateways MODBUS possui as características gerais iguais às da série EKI-152X, entretanto oferece uma, duas ou quatro portas seriais, uma ou duas portas Ethernet, as duas portas Ethernet permitem a série EKI-122X estabelecer duas conexões Ethernet separadas a dois domínios Ethernet ou dois switches Ethernet no mesmo domínio. Através de uma conexão Ethernet redundante, a série EKI-122X melhora consideravelmente a confiabilidade e conectividade do dispositivo, aumenta a estabilidade do sistema e simplifica a configuração redundante, sendo uma solução ideal para conectar múltiplos dispositivos MODBUS/RTU e MODBUS/ASCII dispositivos seriais para MODBUS TCP (Ethernet).


Definição da Arquitetura de Referência

A arquitetura de referência apresentada nos exemplos será de uma UCP NX3030 sem redundância, operando com uma instância MODBUS Cliente (o Protocolo dependerá do dispositivo em questão), ora com um conversor Advantech EKI-1524 (MODBUS RTU via TCP) ora com um conversor EKI-1222 (MODBUS TCP), e serão usados três escravos MODBUS RTU RS-485, nos endereços 1, 50 e 100.


Configuração da UCP

As UCPs Nexto podem disponibilizar até duas interfaces Ethernet locais, NET 1 e NET 2. A UCP NX3030, em questão, terá suas portas configuradas como par NIC Teaming. Além das interfaces Ethernet locais, a Série Nexto disponibiliza também interfaces Ethernet remotas através da inclusão do módulo NX5000. Os módulos NX5000 possuem apenas a interface NET 1. Mais informações podem ser obtidas no Manual de Utilização das UCPs Série Nexto MU214100. 

ATENÇÃO:

As imagens a seguir foram obtidas a partir da ferramenta MT8500 versão 1.22 e sistema operacional Windows 7 Professional 32 Bits, ambos no idioma português. Pequenas diferenças nas telas poderão ser observadas se utilizadas versões diferentes das citadas.


Configuração das Portas Ethernet 

Para abrir a configuração das NETs, deve-se clicar duas vezes sobre a NET em questão, no caso a da UCP, NET1. Inicialmente devem-se escolher os Parâmetros da Porta Ethernet de sua preferência:

 

Ao clicar no botão Avançado uma nova caixa de configuração será aberta, marcando-se a Checkbox "Redundância de Comunicação" será habilitado o NIC Teaming das interfaces NET da UCP, mais informações podem ser obtidas no Manual de Utilização das UCPs Série Nexto MU214100.


Configuração do Cliente MODBUS

Para adicionar um Cliente MODBUS deve-se selecionar a NET1, clicar com o botão direito sobre a NET e logo após em Acrescentar Dispositivo, uma nova janela será aberta:


Clicando-se em Acrescentar, o processo de inserção é concluido.

Abaixo da NET estará o dispositivo inserido, para abrir suas configurações, o mesmo deve ser selecionado e clicando-se duas vezes seus parâmetros serão abertos:

 

O protocolo RTU via TCP deve ser selecionado.

No botão Acrescentar que estará habilitado na caixa Dispositivos, será endereçado o dispositivo Advantech. O IP de Destino utilizado aqui será configurado também no Conversor, para o Modelo EKI-1222 a Porta TCP padrão será 502.


Três fatores diferenciam a comunicação com estes dois conversores, IP de Destino, Porta TCP e Protocolo, para comunicação padrão com os conversores estas configurações devem ser utilizadas:

  • EKI-1222, IP de Destino, configurado conforme atribuído ao conversor, Porta TCP 502 e Protocolo MODBUS TCP, os últimos dois parâmetros sendo o padrão do MasterTool.
  • EKI-1524, IP de Destino configurado conforme atribuído ao conversor, Porta TCP 5300 e Protocolo MODBUS RTU via TCP.

Após adicionar o Dispositivo destino, a caixa de Mapeamentos do Dispositivo Conversor_Advantech será habilitada para edição, deve-se adicionar então os Mapeamentos através do botão Acrescentar, como mostra a figura abaixo:

 

Para fins de testes, serão adicionados três mapeamentos do tipo Leitura de Coil cada um, que representam os três dispositivos seriais conectados ao conversor, segue configuração:


No campo Endereço do Escravo, para a primeira relação o padrão "1" será usado, para as outras duas relações posteriores deve-se configurar propriamente a relação com o endereço do escravo em questão, 50 e 100. Na imagem abaixo é mostrada a configuração já com as três relações adicionadas e endereçadas corretamente.

 

Para concluir a configuração uma UCP Nexto válida deve ser selecionada na árvore de dispositivos no item Device, e o projeto enviado a uma UCP conectada à rede.



Configuração das Interfaces Conversoras Advantech

Ao abrir o programa de configuração Advantech Serial Device Server Configuration Utility as interfaces ligadas junto à rede serão apresentadas na árvore de dispositivos à esquerda. Para maiores informações o Manual do Conversor em questão deve ser consultado.

ATENÇÃO:

As imagens a seguir foram obtidas a partir da ferramenta Advantech versão 1.37  e sistema operacional Windows 7 Professional 32 bits. Pequenas diferenças nas telas poderão ser observadas se utilizadas versões diferentes dos citados.


Configuração do Conversor EKI-1222

O conversor EKI-1222 pode ser visto na árvore de dispositivos conectados a rede, como é mostrado na figura abaixo:

 

Caso haja um conversor conectado à rede local, porém não é possível vê-lo na árvore de dispositivos, provavelmente o IP do dispositivo não está na mesma sub-rede do computador. O procedimento padrão para solucionar este problema consiste em trocar temporariamente o IP do computador para um endereço na mesma sub-rede do Conversor (consulte o manual do Conversor para saber sua configuração de IP padrão) tornando-o visível no programa, então configurá-lo para um IP conveniente dentro da sua sub-rede (procedimento descrito abaixo), e finalmente, voltar o computador ao seu IP normal.

Expandindo-se os dispositivos do conversor EKI-1222 são mostrados as suas portas de comunicação e se faz possível a seleção para configuração:

 

A configuração padrão é apresentada abaixo, os campos a direita devem ser modificados de modo a serem compatíveis com os configurados anteriormente na UCP, no caso da Eth 1 o IP Address = 192.168.17.110, Subnet Mask = 255.255.248.0 e Default Gateway = 192.168.16.253, o campo à esquerda será então atualizado com o IP configurado após aceitar as alterações no botão "Apply", estes parâmetros são utilizados para identificar o gateway Modbus de dados na rede.


Na próxima tela são apresentadas as configurações para cada porta serial do dispositivo Advantech, estas configurações são comuns para os modelos de conversores descritos neste documento, para a configuração apresentada devem-se mudar os valores dos campos conforme segue: Description, nome a ser dado para o dispositivo, Type tipo de interface serial a ser usada - RS-485, Baud Rate velocidade de transmissão dos dispositivos conectados - 115200, Parity None, Data Bits 8, Stop Bits 1, Flow Control None.


Os Parâmetros da aba Operation, serão modificados de acordo com o modelo de conversor selecionado. 

Para o modelo EKI-1222, os campos de configurações devem ser preenchidos conforme segue: Operation Mode o modo de operação determina se os dispositivos que estão conectados à porta serial irão operar como mestres ou escravos - Modbus Slave Mode, Mode RTU Mode, Response Timeout 3000 (este valor deve ser considerado de acordo com o valor de timeout configurado na comunicação Ethernet da UCP), Delay Time 0,  é necessário mapear os escravos seriais na rede, isso pode ser feito através do botão Scan Slave ID que executará uma busca de todos os escravos já conectados ao equipamento, é interessante que os mesmos já estejam configurados e conectados corretamente ao conversor. É possível fazer a inserção manual do escravo da rede, através dos campos ID, Description e Map ID.

Depois de configurados estes campos apresentados, o conversor EKI-1222 está pronto para ser utilizado.


Configurando o Conversor EKI-1524

O conversor EKI-1524 pode ser visto na árvore de dispositivos conectados à rede, como é mostrada na figura abaixo:

 

Expandindo-se os dispositivos do conversor EKI-1524 são mostradas as suas portas de comunicação e se faz possível a seleção para configuração:

 

A configuração padrão é apresentada abaixo, os campos demarcados devem ser modificados de modo a serem compatíveis com os configurados anteriormente na UCP, no caso da Eth 1, IP Configuration Mode Static IP, IP Address = 192.168.17.115, Subnet Mask = 255.255.248.0 e Default Gateway = 192.168.16.253, os demais campos não são utilizados, o nome da porta à esquerda será então atualizado com o IP configurado após aceitar as alterações no botão "Apply" ser pressionado.

 

A configuração das portas seriais é idêntica à apresentada para a configuração do EKI-1222, entretanto, para o modelo EKI-1524, a aba Operation assumirá campos diferentes e uma nova aba chamada Advanced será apresentada, as configurações utilizadas são mostradas a seguir:

Aba Operation, Operation Mode USDG Mode, Mode Data Mode, Data Listen Port 5300, Command Listen Port 5400, Data Idle Timeout(s) 60, Protocol TCP, os demais campos não assumem valores, ou seja, estão desabilitados e/ou não foram utilizados;

 

Aba Advanced, nenhum campo desta aba foi alterado de seu valor padrão, estando todos desabilitados durante a execução deste teste.

 

Depois de configurados os campos apresentados, o conversor EKI-1222 está pronto para ser utilizado.


Testes Realizados

Segue uma breve descrição dos principais testes realizados, e resultados obtidos, com os dois conversores da Advantech:

  • Cliente MODBUS: foram utilizados dispositivos clientes MODBUS localizados nas interfaces Ethernet da UCP NX3030 (NET1 e NET2) e na interface Ethernet do módulo NX5000 (NET1), sem observar qualquer limitação de funcionamento.
  • Remoção de um ou mais dispositivos escravos da rede: a remoção de um escravo MODBUS ativo provocava a ocorrência de timeout de comunicação no cliente MODBUS, o que já era esperado, bem como o fechamento da conexão Ethernet (RESET) entre o cliente MODBUS e o conversor. Imediatamente após o fechamento da conexão, uma nova conexão entre cliente e conversor é restabelecida, dando continuidade a varredura dos demais escravos MODBUS que continuam presentes na rede.
  • Escrita/Leitura de blocos de dados de diversos tamanhos: estimulou-se a comunicação MODBUS com mensagens pequenas (leitura/escrita de um único BIT), médias e grandes (leitura/escrita de até 250 bytes de dados), não sendo observados problemas, desde que ajustados os timeouts no cliente e no conversor, para respeitar os tempos envolvidos nas comunicações: baud-rate da rede RS-485, tamanho das mensagens MODBUS, tempo de resposta dos escravos.
  • Timeout de comunicação: foram testadas diferentes configurações de timeout, uma vez que tal parâmetro deve ser configurado tanto no cliente MODBUS como no conversor Advantech. É importante salientar que o parâmetro de timeout configurado no Advantech, para a rede MODBUS serial, determina o tempo máximo que o conversor deve esperar por uma resposta do escravo MODBUS antes de transmitir uma nova requisição. Mesmo que o cliente MODBUS já tenha fechado a conexão por timeout e estabelecido uma nova conexão, o conversor irá obedecer o tempo de timeout (silêncio) nele configurado. Portanto deve-se configurar valores compatíveis de timeout no cliente MODBUS e no conversor, evitando comportamentos não esperados.
  • Múltiplos clientes: além do cliente MODBUS Nexto (UCP NX3030 ou módulo NX5000) utilizou-se, simultaneamente, um segundo cliente MODBUS (simulador MDBUS) para comunicar com os mesmos escravos MODBUS da rede RS-485 (endereços 1, 50 e 100). Obedecidos os tempos envolvidos nas comunicações (baud-rate da rede RS-485, tamanho das mensagens MODBUS, tempo de resposta dos escravos, timeout das relações), não foram observados problemas nas comunicações dos dois clientes com os escravos, salvo o maior tempo de latência entre pergunta/resposta, uma vez que a rede serial RS-485 passou a ser compartilhada entre os dois clientes. A capacidade de compartilhar a rede serial entre dois clientes é uma interessante característica dos conversores da Advantech.


Conversor Ethernet-Serial com Protocolo DNP3 na Série Hadron Xtorm

O protocolo DNP3 está disponível apenas pelo canal Ethernet da Xtorm, no entanto, uma rede DNP3 pode ter escravos ou o próprio mestre na forma serial, o que torna necessário a utilização de um Conversor Ethernet-Serial.

O conversor EKI-1522 da Advantech pertence à série EKI-152X de servidores de dispositivos industriais, robustos e versáteis, sendo eficazes para integração de equipamentos em um ambiente de automação industrial. O EKI-1522 possui duas portas seriais, tendo duas portas Ethernet independentes, o que aumenta a confiabilidade e conectividade do dispositivo, aumenta a estabilidade do sistema e simplifica a configuração redundante, tornando-os uma solução ideal para conectar vários dispositivos seriais RS-232/422/485 a uma rede DNP3 Ethernet.


Definição das Arquiteturas de Referência

A Arquitetura 1 é composta por uma UCP HX3040 sem redundância, operando com uma instância DNP3 Cliente, com um conversor Advantech EKI-1522. Dois Escravos DNP3 RS-232 são ligados ao conversor.


A Arquitetura 2 é composta por uma UCP HX3040 sem redundância, operando com uma instância DNP3 Servidor, com um conversor Advantech EKI-1522. Um Mestre DNP3 RS-232 é ligado ao conversor.


Configuração da UCP

A UCP HX3040 disponibiliza até seis interfaces Ethernet locais, habilitáveis conforme a necessidade. Neste exemplo, usaremos apenas a NET 1. Mais informações podem ser obtidas no Manual de Utilização Hadron Xtorm MU223000.

ATENÇÃO:

As imagens a seguir foram obtidas a partir da ferramenta HD8500 1.03 e sistema operacional Windows 7 Professional, ambos no idioma português. Pequenas diferenças nas telas poderão ser observadas se versões diferentes forem utilizadas.


Configuração das Portas Ethernet

Clicando duas vezes na NET 1, entra-se em sua página de configuração. Nesta arquitetura, usaremos as configurações mostradas na figura abaixo.

 

Agora que o canal Ethernet está configurado, podemos adicionar e configurar os dispositivos DNP3. Cada arquitetura exige configurações específicas, apresentadas a seguir.


Configuração do Cliente DNP3 para Arquitetura 1

Clicando com o botão direito na NET 1, é possível abrir o diálogo de Acrescentar Dispositivo. Expanda o DNP3 Ethernet, conforme mostrado abaixo, selecione o DNP3 Client e clique em Acrescentar.


Agora que há uma instância DNP3 Client na NET 1, clique com o botão direito nela para acrescentar Outstations (escravos). Nesta arquitetura, serão usados dois escravos. Clicando duas vezes no DNP3_Client, podemos configurar o endereço do mestre da rede. Neste exemplo, o Mestre tem endereço 3.


Abaixo vemos a configuração de conexão com o Outstation, aba Camada de Enlace, utilizada nesta arquitetura. O escravo de endereço 4 está associado à porta TCP 20000, e o escravo 5 à porta TCP 20001. O endereço de IP é o endereço do conversor EKI-1522. Configure estes endereços de acordo com os escravos seriais disponíveis.

                               

Na aba Mapeamentos, é necessário configurar os pontos de E/S presentes no seu escravo. Para mais informações sobre mapeamentos DNP3, consulte o Manual de Utilização Hadron Xtorm MU223000.

A aba Camada de Aplicação foi configurada conforme a imagem abaixo.


Neste exemplo, não utilizamos Requisições Customizadas.

Isto encerra a configuração da Xtorm. Consulte as seções 0 e 3.3.1 para a configuração do conversor nesta arquitetura.


Configuração do Servidor DNP3 para Arquitetura 2

Clicando com o botão direito na NET 1, é possível abrir o diálogo de Acrescentar Dispositivo. Expanda o DNP3 Ethernet, conforme mostrado abaixo, selecione o DNP3 Server e clique em Acrescentar.


Agora que há uma instância DNP3 Server na NET 1, clique com o botão direito nela para acrescentar um Cliente. Nesta arquitetura, será usado apenas um cliente. Clicando duas vezes no DNP3_Server, podemos configurar o Modo de Conexão. Neste exemplo, será usado o modo Porta (para maiores detalhes, consulte o MU223000).


Abaixo vemos a configuração de conexão com o Cliente, aba Camada de Enlace, utilizada nesta arquitetura. Neste exemplo, o Cliente (Mestre) possui endereço 3 (configure este endereço de acordo com o mestre serial disponível), e o escravo (servidor), endereço 4. A Porta Listen é a 20000, através da qual o conversor vai estabelecer a conexão.


Na aba Mapeamentos, é necessário configurar os pontos de E/S desejados no Servidor DNP3. Para mais informações sobre mapeamentos DNP3, consulte o Manual de Utilização Hadron Xtorm MU223000. 

Neste exemplo, não serão editadas as demais abas.

Isto encerra a configuração da Xtorm. Consulte as seções 0 e 3.3.2 para a configuração do conversor nesta arquitetura.


Configuração da Interface Conversora Advantech EKI-1522

Ao abrir o programa de configuração Advantech Serial Device Server Configuration Utility, as interfaces conectadas à rede local serão apresentadas na árvore de dispositivos à esquerda.


Caso haja um conversor conectado à rede local e ele não apareça na árvore de dispositivos, provavelmente o IP do dispositivo não está na mesma sub-rede do computador. O procedimento padrão para solucionar este problema consiste em trocar temporariamente o IP do computador para um endereço na mesma sub-rede do conversor (consulte o manual do conversor para saber sua configuração de IP padrão) tornando-o visível no programa, então configurá-lo para um IP conveniente dentro da sua sub-rede (procedimento descrito abaixo), e finalmente, voltar o computador ao seu IP normal.

Expandindo o conversor EKI-1522, são mostrados as suas portas de comunicação, possibilitando a seleção para configuração.

Clicando na Eth 1 (ver figura abaixo), entra-se na configuração deste canal Ethernet, onde pode-se mudar o endereço IP. Consulte o administrador de sua rede para o preenchimento adequado destes campos. Neste exemplo, utilizaremos Static IP, Address = 192.168.17.153, Subnet Mask = 255.255.248.0 e Default Gateway = 192.168.16.253. Após preencher, clique no botão "Apply" para o conversor reiniciar aplicando as modificações.


Em seguida, realizaremos a configuração básica das portas seriais. A página de configuração é acessada clicando na Port 1 e Port 2 da treeview. Os campos são padronizados para qualquer dispositivo serial, Neste exemplo, usaremos RS-232 a 38400 bps, paridade Par (Even), 8 Data Bits, 1 Stop Bit e sem Flow Control. Utilizaremos a mesma configuração nas duas portas.


Os passos seguintes dependem de qual arquitetura será utilizada. A seção 3.3.1 detalha a configuração para Arquitetura 1, e a seção 3.3.2, para a Arquitetura 2.


Configuração Serial para Arquitetura 1

Na Arquitetura 1, a Hadron Xtorm é utilizada como Cliente DNP3. Esta arquitetura possui dois escravos conectados nas portas seriais do conversor. Cabe ao EKI-1522 distinguir uma requisição ao escravo 1 de uma ao escravo 2, e encaminhar corretamente a resposta à Xtorm.

Tal distinção é obtida através da configuração das Data Listen Ports, que associa uma determinada porta TCP a uma interface serial, assim, quando o cliente utilizar a porta TCP configurada como Listen na porta serial 1, o conversor encaminhará o pacote para esta porta, e o mesmo para a 2.

A figura abaixo indica onde é feita esta configuração, com os campos relevantes ressaltados.


Nesta arquitetura, usamos as portas 20000 e 20001 para a porta 1 e 2 respectivamente. As demais configurações são iguais nas duas portas. Estas são as portas configuradas no driver DNP3 da Xtorm, na aba Camada de Enlace da configuração do Outstation.

Abaixo, as demais configurações necessárias nas outras abas:



Ao final, clique em Apply e aguarde o conversor reiniciar.

Agora que configuramos as duas portas seriais, o conversor irá encaminhar as requisições do cliente DNP3 na Xtorm feitas através da porta TCP 20000 para a serial 1, e consequentemente as respostas vindas pela serial 1 serão enviadas por esta conexão ao cliente. O mesmo se aplica para a porta TCP 20001 e a porta serial 2.


Configuração Serial para Arquitetura 2

Na Arquitetura 2, a Hadron Xtorm é utilizada como Servidor DNP3. Esta arquitetura possui um mestre conectado na porta serial 1 do conversor. Cabe ao EKI-1522 estabelecer uma conexão TCP com o servidor na UCP Xtorm, e assim encaminhar as requisições do mestre para o servidor.

As figuras abaixo indicam onde é feita esta configuração, com os campos relevantes ressaltados.


Esta checkbox habilita o conversor a tomar a iniciativa de estabelecer uma conexão com o Peer configurado na próxima aba (imagem abaixo) – neste caso, a Xtorm.

Na adição de um Peer, é necessário configurar o IPe a porta configurada na Xtorm – neste caso, a 20000. A Local Port pode ser preenchida com um valor arbitrário ainda não utilizado nas configurações de porta TCP, e.g. 333.


Abaixo, as demais configurações necessárias nas outras abas:


Ao final, clique em Apply e aguarde o conversor reiniciar.

Agora que configuramos a porta serial, o EKI-1522 irá estabelecer uma conexão com o servidor DNP3 na Xtorm através da porta TCP 20000, assim as requisições vindas do mestre pela serial 1 do conversor serão encaminhadas a esta conexão, e as respostas do servidor pela conexão TCP/IP serão encaminhadas à porta serial 1.


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