Выбор технологии беспроводного опроса: ZigBee или Wi-Fi

Российская компания ООО «Аналитик-ТС», уже более 20 лет выпускающая промышленные модемы для телеметрии под торговой маркой AnCom^® и PROMODEM^®, предлагает широкую линейку модемов, логгеров и контроллеров для беспроводной автоматизации. В статье приведен обзор оборудования для организации собственной промышленной радиосети ZigBee или Wi-Fi с беспроводным опросом контроллеров, счетчиков, модулей ввода/вывода, а также любых Modbus-устройств.

На что заменить проводной опрос устройств RS‑485 / RS‑232

Если ваши устройства – контроллеры или счетчики электроэнергии – удалены друг от друга и от диспетчерского центра на километры, то для беспроводного доступа к ним используйте модемы PROMODEM GSM и 3G. Они обеспечат опрос удаленных устройств через интернет, доступ в который предоставит сотовый оператор.

В настоящей статье описаны варианты беспроводного опроса устройств без услуг сотовых операторов и на более компактных территориях (промзона, порт, кусты нефтегазовой и насосной автоматики, коттеджные поселки и т. п.), а также решения для опроса счетчиков и контроллеров внутри зданий: завода, склада, офисного или торгового центров.

Действительно, если ваши устройства размещены в десятках или сотнях метров друг от друга и от диспетчерского центра, тогда нет смысла переплачивать за трафик, гораздо эффективней объединить их в свою персональную беспроводную радиосеть, подключив к ним вместо проводной шины радиомодем ZigBee или беспроводной wifi конвертер RS485 (wifi конвертер RS232).

Персональные промышленные радиосети ZigBee и Wi-Fi позволят отказаться от проводов незаметно для вашей программы опроса или центрального Modbus-master-контроллера. Радиомодемы PROMODEM не требуют платы за трафик и лицензии, работают на разрешенных частотах и мощностях.

Что выбрать: ZigBee или Wi-Fi?

Обе технологии – ZigBee и Wi-Fi – работают в частотном диапазоне 2,4 ГГц. У каждой из них есть свои преимущества и особенности. Приведем общий подход к выбору технологии передачи данных.

Выбирайте более бюджетные промышленные wifi модемы PROMODEM WiFi, если:

• на вашем объекте уже развернута сетевая Wi-Fi-инфраструктура;
• либо у вас есть возможность малыми затратами организовать Wi-Fi-покрытие на объекте, установив Wi-Fi-роутеры и повторители.

Постройте самоорганизующуюся, без внешних роутеров и базовых станций, персональную радиосеть на модемах PROMODEM ZigBee, если:

• на объекте технически сложно или слишком накладно разворачивать полное Wi-Fi-покрытие, например в случае, когда расстояния между устройствами системы составляют сотни метров;
• ваша внутренняя служба безопасности не приветствует доступ к устройствам по Wi-Fi;
• ваши устройства работают по протоколу Modbus RTU и опрашиваются не компьютерной программой (SCADA), а центральным Modbus-master-контроллером;
• требуется организовать опрос не только контроллеров с портом RS‑485, но и дискретных датчиков сигнализации или аналоговых датчиков температуры/давления/влажности 4–20 мА (к ним можно подключить ZigBee модемы PROMODEM напрямую).

Рассмотрим различные варианты построения персональных беспроводных сетей.

Диспетчерский центр с программой опроса находится на объекте вместе с устройствами (RS‑485 / RS‑232)

Вариант сети Wi-Fi. Подключив ваши счетчики, контроллеры или модули ввода/вывода к модемам PROMODEM WiFi, вы введете их в локальную TCP/IP-сеть вашего предприятия или цеха и сможете опрашивать их вашим диспетчерским ПО с любого компьютера, ноутбука или планшета, который также подключен к этой сети (рис. 1).

Рис. 1. RS‑485/RS‑232‑устройства, подключенные к модемам PROMODEM WiFi, получают IP-адрес и опрашиваются диспетчерским ПО по TCP-портам 

Фактически модем PROMODEM WiFi – это промышленный wifi преобразователь RS485 либо wifi преобразователь RS232.

Промышленные wifi модемы PROMODEM WiFi автоматически подключаются к вашей точке доступа Wi-Fi, работают в режимах «TCP-клиент» и «TCP-сервер», оснащены защитными таймерами для автоматической перезагрузки и удобно настраиваются по Wi-Fi любым браузером через веб-интерфейс (рис. 2).

Рис. 2. Веб-интерфейс настройки модема PROMODEM WiFi через браузер

Если подключенные к модемам PROMODEM WiFi устройства работают в протоколе Modbus RTU, то для их беспроводного опроса вашей SCADA-программой установите в настройках этой программы тип подключения «TCP/IP (Socket)» и протокол «Modbus RTU over TCP». Модемы PROMODEM WiFi при этом настраиваются в режим «TCP-сервер».

Вариант сети ZigBee. Если обеспечить Wi-Fi-покрытие на объекте не представляется возможным, персональную сеть можно развернуть на базе радиомодемов PROMODEM: маршрутизаторов ZigBee и координаторов ZigBee, которые сами организуют сетевую инфраструктуру – без роутеров и базовых станций. Организуется сеть следующим образом (рис. 3):

• ваши устройства (RS‑485 / RS‑232) подключаются к маршрутизаторам ZigBee;
• к компьютеру диспетчерского центра подключается координатор ZigBee для трансляции опросов из диспетчерского ПО в беспроводную сеть ZigBee;
• при этом каждый маршрутизатор ZigBee является автоматическим ретранслятором для соседних модемов, что обеспечивает опрос слишком удаленных от диспетчерского центра устройств: даже если маршрутизатор не видит координатора напрямую, опрос пойдет по автоматически выстроенному маршруту через соседние ZigBee модемы;
• на диспетчерском компьютере устанавливается бесплатная служба данных PROMODEM ZigBeeService (служба Windows, работает в фоновом режиме);
• служба данных PROMODEM ZigBeeService выделяет вашему диспетчерскому ПО отдельные TCP- порты (или виртуальные COM-порты) для опроса через координатор ZigBee устройств и датчиков сети;
• таким образом, как и в случае с сетью Wi-Fi, ваше диспетчерское ПО опрашивает каждое удаленное устройство (RS‑485 / RS‑232) или датчик по отдельному TCP-порту (или виртуальному COM-порту).

Рис. 3. Беспроводной адресный опрос диспетчерским ПО (Windows) каждого устройства или датчика по отдельному TCP-порту с помощью ZigBee модемов и службы данных PROMODEM

Примеры реализованных проектов:

• мониторинг кондиционеров в торговых и офисных центрах;
• мониторинг автоматики в тепличных комплексах;
• мониторинг температуры в учебных заведениях;
• съем показаний с приборов на строительном и сельскохозяйственном транспорте.

Диспетчерский центр географически удален от объекта: объединение устройств (RS‑485 / RS‑232) на объекте в персональную локальную радиосеть с удаленным опросом через интернет-шлюз

Вариант сети Wi-Fi. Как и в приведенном выше случае, вы подключаете ваши счетчики, контроллеры и модули ввода/вывода на объекте к RS-порту модемов PROMODEM WiFi. А модемы PROMODEM WiFi автоматически подключаются к роутеру вашей локальной се­ти Wi-Fi. Таким образом, опять же: модем представляет собой rs485 wifi конвертер или конвертер rs 232 wifi. Только теперь, для того чтобы опросить ваши устройства из географически удаленного диспетчерского центра, роутер на объекте должен являться интернет-шлюзом, то есть иметь возможность выхода в интернет.

Шлюзование организуется следующим образом (рис. 4):

• модемы PROMODEM WiFi настраиваются на режим «TCP-клиент» и подключаются к статическому публичному IP-адресу диспетчерского центра через роутер на объекте (интернет-шлюз);
• в роутере диспетчерского центра (не путать с роутером на объекте) для приема подключения каждого модема PROMODEM WiFi требуется открыть отдельный внешний TCP-порт;
• также нужно настроить проброс этих подключений на TCP-порты локального компьютера с диспетчерским ПО (TCP-север).

Рис. 4. Подключение устройств (RS‑485/RS‑232) к удаленному диспетчерскому ПО через интернет по Wi-Fi для опроса из географически удаленного диспетчерского центра

После чего, как и при опросе по локальной сети, обмен данными между устройствами на объекте и программой в географически удаленном диспетчерском центре производится по беспроводным каналам связи «RS – интернет – TCP».

Вариант сети ZigBee. Если вы выбрали для вашего объекта ZigBee-сеть, но при этом координатор ZigBee нельзя подключить напрямую к диспетчерскому компьютеру с сохранением радиосвязи хотя бы с несколькими маршрутизаторами ZigBee, то можно организовать удаленное подключение координатора ZigBee к диспетчерскому компьютеру через шлюз другой сети (рис. 5).

Рис. 5. Подключение «кустов» контроллеров и счетчиков, объединенных в ZigBee-сети, к географически удаленному диспетчерскому центру: напрямую (USB), а также через шлюз PROMODEM WiFi (локальная сеть WLAN) и PROMODEM GSM (сотовый интернет)

Если у вас есть возможность разместить координатор ZigBee в зоне действия Wi-Fi локальной IP-сети предприятия, то:

• подключите координатор ZigBee к RS-порту модема PROMODEM WiFi‑232 (конвертер rs232 wifi);
• таким образом, доступ (шлюз) в ZigBee-сеть будет организован через локальную IP-сеть предприятия;
• компьютер с диспетчерским ПО также должен быть подключен к этой локальной IP-сети.

Если разместить координатор ZigBee в зоне действия Wi-Fi локальной IP-сети предприятия не получается, то:

• подключите координатор ZigBee к RS-порту модема PROMODEM GSM‑232;
• таким образом, доступ (шлюз) в ZigBee-сеть будет организован через интернет-сеть сотового оператора связи;
• компьютер с диспетчерским ПО при этом должен иметь выход в интернет с подключенной услугой «статический публичный IP-адрес».

Ваше диспетчерское ПО «не заметит» разницы: подключен ли координатор ZigBee к диспетчерскому компьютеру напрямую или удаленно – через шлюз Wi-Fi или GSM, опрос удаленных устройств (RS‑485 / RS‑232) вашим диспетчерским ПО все так же будет производиться по локальным TCP-портам на этом же диспетчерском компьютере.

К одному диспетчерскому компьютеру напрямую или через шлюзы можно подключить несколько координаторов ZigBee. Таким образом, ваше диспетчерское ПО может одновременно опрашивать «кусты» устройств (RS‑485 / RS‑232), объединенные в независимые ZigBee-сети на различных географически удаленных объектах.

Примеры реализованных проектов:

• управление освещением на железнодорожных станциях;
• учет расхода энергоресурсов АСКУЭ в СНТ и коттеджных поселках;
• мониторинг температуры в общественном транспорте;
• дистанционное управление АСУ ТП.

Радиоудлинитель RS-интерфейса «точка – точка» между двумя устройствами

Связать между собой по радиоканалу два устройства (RS‑485 / RS‑232), например master и один slave-конт­роллер, можно с помощью пары радиомодемов, настроив их в режим «точка – точка». В этом режиме ва­ша па­ра устройств обменивается данными друг с другом, «не замечая» подмены проводного подключения модемным.

На небольших расстояниях или в зо­не действия сети Wi-Fi предприятия используйте пару модемов PROMODEM WiFi. При этом на небольших расстояниях вы можете обойтись без внешней точки доступа (один из парных модемов: rs485 wifi преобразователь или конвертер преобразователь из rs232 в WiFi – выполняет ее роль). Если расстояние между двумя модемами PROMODEM WiFi значительное, используйте внешнюю точку доступа для организации Wi-Fi-покрытия (рис. 6).

Рис. 6. Радиоудлинитель «точка – точка» RS‑485 – RS‑485, реализованный с помощью двух Wi-Fi-конвертеров RS‑485 PROMODEM WiFi (представлен вариант с внешней точкой доступа, можно и без нее)

На расстояниях в сотни метров, когда отсутствует возможность организовать Wi-Fi-покрытие на объекте, используйте пару радиомодемов ZigBee PROMODEM в режиме «точка – точка» (дополнительное сетевое оборудование не потребуется). При использовании направленных антенн 2,4 ГГц и наличии прямой видимости между ними можно организовать радиосвязь между двумя устройствами на расстоянии в несколько километров.

Примеры реализованных проектов:

• беспроводное управление зерновым погрузчиком из кабины трактора;
• частичная замена проводной телеметрии в цехе на беспроводную связь;
• аналог радиорелейной линии между парой контроллеров RS‑485 в горной местности на расстоянии ~10 км с применением радиомодемов ZigBee PROMODEM и зеркальных направленных антенн диаметром ~1 м.

Беспроводной опрос Modbus-master-контроллером slave-устройств и датчиков

В системах опроса центральным master-контроллером устройств slave по протоколу Modbus RTU (контроллеров, модулей ввода/вывода, счетчиков и т. п.) можно также заменить проводную шину RS‑485 на ее беспроводной аналог – модемы PROMODEM серии ZigBee Modbus (рис. 7):

• устройства Modbus slave подключаются к модемам ZigBee Modbus Slave по RS‑485;
• дополнительно к модемам ZigBee Modbus Slave можно подключить датчики сигнализации или датчики 4…20 мА (температуры, давления, влажности и т. п.);
• центральный контроллер Modbus master подключается к модему ZigBee Modbus Master по RS‑485;
• при настройке центрального модема ZigBee Modbus Master вы указываете, к устройству с каким Modbus-адресом подключен тот или иной периферийный модем ZigBee Modbus Slave, а также назначаете Modbus-адреса для дискретных/аналоговых датчиков, подключенных к этим модемам (при наличии);
• ваш контроллер Modbus master осуществляет опрос устройств и датчиков по их Modbus-адресам в рамках протокола Modbus RTU – так, как будто те подключены к нему напрямую по шине RS‑485;
• адресный (не широковещательный) доступ: запрос по радиосети получает только то устройство Modbus slave, Modbus-адрес которого указан в этом запросе, что уменьшает время доставки запроса по радиоканалу.

Рис. 7. Беспроводной опрос Modbus-master-контроллером Modbus-slave-устройств и датчиков по радиоканалу ZigBee – замена проводной шины RS‑485

При этом всё так же работает автоматическая ретрансляция ZigBee-сети: Modbus-запрос, отправленный удаленному от центра модему ZigBee Modbus Slave, дойдет до него автоматически проложенным маршрутом через соседние модемы. Самоорганизующаяся ZigBee-сеть не требует дополнительных роутеров и базовых станций для обеспечения сетевого покрытия на объекте.

Примеры реализованных проектов:

• беспроводной доступ к «кустам» нефтегазовой автоматики и КНС (канализационных насосных станций) на территориях без сотовой связи;
• беспроводной опрос показаний счетчиков электроэнергии через центральный ПЛК (программируемый логический контроллер) в протоколе Modbus RTU;
• замена проводной Modbus-ши­ны RS‑485 в цеховой автоматике.

Особенности монтажа модемов PROMODEM и антенн на объекте

Модемы PROMODEM выпускаются в промышленном исполнении, рассчитанном на работу на неотапливаемых объектах. Модемы оснащены встроенным источником питания на ~220 В или =24 В с гальваноразвязкой и защитой от скачков напряжения в сети (рис. 8).

Рис. 8. Радиомодем PROMODEM ZigBee с RS‑485, двумя входами 4–20 мА для датчиков и встроенным источником ~85…264 В AC; температура эксплуатации – от –40 до +70 °C; крепление на DIN-рейку

Удобство монтажа обеспечивается встроенным креплением на DIN-рейку и комплектными клеммниками для подключения под винт устройств RS‑485 / RS‑232, а также проводов питания и датчика. В модемах предусмотрен выход 12 В для запитки подключаемых датчиков и интерфейсов устройств (табл. 1).

Таблица 1. Промышленное исполнение модемов PROMODEM

Параметр	Значение
Рабочая температура, °C	От –40 до +70
Монтаж	Удобный монтаж модема, благодаря встроенному креплению на DIN-рейку
Подключение питания	встроенный блок питания (БП) с гальваноразвязкой для прямого подключения модема к сети ~220 В; защита от скачков напряжений обеспечивается широким диапазоном БП: 85…264 В AC; удобное и надежное подключение питания через клеммники под винт; доступны варианты модемов со встроенным БП 18…36 В DC с гальваноразвязкой – для прямого подключения к шине питания 24 В внутри шкафа автоматики АСУ ТП
Подключение устройств	подключение устройств и датчиков через клеммники под винт; выход 12 В DC модема обеспечивает питание подключенных датчиков и интерфейсов устройств; поддерживается подключение к одному модему до 32 устройств по шине RS‑485; внутри модема установлен подключаемый резистор (терминатор) 120 Ом для согласования линии RS‑485
Декларации соответствия	Соответствие техническим регламентам Таможенного союза «О безопасности…» и «ЭМС»
Гарантийный срок, лет	5

Предлагаемые компанией «Аналитик-ТС» антенны диапазона 2,4 ГГц представлены в различных вариантах, для различных условий монтажа модемов PROMODEM и подходят как для Wi-Fi-конвертеров RS‑485 или RS‑232, так и для радиомодемов ZigBee (табл. 2).

Таблица 2. Антенны 2,4 ГГц под различные типы монтажа модемов PROMODEM ZigBee и PROMODEM WiFi

	Антенна для Wi-Fi-модема или радиомодема ZigBee
Внешний вид
Применение	Мощная антенна на магните для крепления на металлическую крышку шкафа, в котором установлен модем; не требует сверления крышки	Антенна врезная для надежного винтового крепления на металлическую крышку шкафа, в котором установлен модем	Антенна с комплектным кронштейном для выноса на улицу из помещений с плохой радиообстановкой: из подвала или комнаты на внешнюю сторону стены здания	Компактная антенна для монтажа внутри радиопрозрачного помещения с хорошей радиообстановкой