Радиомодемы PROMODEM WiFi, ZigBee и RF на 433, 868 или 2400 МГц для беспроводного Modbus-опроса

Радиомодемы PROMODEM серий RF, ZigBee и Wi-Fi применяются для объединения контроллеров, устройств сбора и передачи данных, датчиков и счетчиков, оснащённых интерфейсами RS-485 или RS-232, в персональные беспроводные сети промышленного интернета вещей. Устройства работают в нелицензируемых радиочастотных диапазонах 433 МГц, 868 МГц и 2,4 ГГц, что позволяет использовать их без оформления индивидуальных разрешений на радиочастоты. На их основе может быть организован беспроводной опрос контроллеров и приборов учета на расстояниях до нескольких километров, в том числе в условиях плотной городской застройки. Радиомодемы поддерживают обмен данными по протоколу Modbus, а также по другим открытым и проприетарным протоколам, используемым в системах промышленной автоматизации и учета.

Замена проводной шины RS‑485 (RS‑232) на беспроводные каналы опроса без абонентской платы

В статье рассматриваются варианты беспроводного опроса устройств без использования услуг сотовых операторов, рассчитанные на работу на компактных территориях (промышленные зоны, порты, кусты нефтегазовой и насосной автоматики, коттеджные посёлки и аналогичные объекты), а также решения для опроса счетчиков и контроллеров внутри зданий — производственных, складских, офисных и торговых.

Персональные промышленные радиосети на базе модемов PROMODEM применяются для замены проводных линий связи при опросе slave-контроллеров и приборов учета электроэнергии. Взаимодействие между полевыми устройствами и центральным master-контроллером либо диспетчерской программой на компьютере осуществляется по беспроводному каналу без изменения логики работы оборудования.

Переход от проводного опроса к беспроводному не требует доработки центрального master-контроллера или программного обеспечения диспетчеризации. К master-контроллеру или компьютеру с программой опроса, а также к slave-контроллерам и приборам учета подключаются радиомодемы PROMODEM RF, ZigBee или Wi-Fi с использованием интерфейсов RS-485 или RS-232. В результате формируется беспроводной аналог проводной шины RS-485 (RS-232) с поддержкой опроса по протоколу Modbus (RTU или TCP), а также по другим открытым и проприетарным протоколам. Контроллеры и приборы учета при этом продолжают функционировать в штатном режиме, аналогично работе в проводной сети. Все модемы PROMODEM оснащаются интерфейсами RS-485 и RS-232 для подключения контроллеров, счетчиков или датчиков, а также встроенным источником питания с гальванической развязкой (рис. 1), рассчитанным на подключение к сетевому напряжению ~220 В (исполнение AC) либо к источнику постоянного напряжения 24 В (исполнение DC).

Рис. 1. Радиоудлинитель RS‑485 (RS‑232) на 433, 868 или 2400 МГц – модем PROMODEM

Модемы PROMODEM оснащены креплением на DIN-рейку и комплектными винтовыми клеммниками для удобного подключения к оборудованию и питанию на объекте. Рабочая температура от –40 до +70 °C позволяет устанавливать модемы в неотапливаемых помещениях или прямо в шкафах на улице.

Работа в нелицензируемом радиочастотном диапазоне

Для беспроводного обмена данными применяются нелицензируемые радиочастотные диапазоны, используемые во многих странах. В Российской Федерации их применение регламентировано решением ГКРЧ при Мининформсвязи России от 07.05.2007 № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия», срок действия которого продлён до 01.05.2027 решением ГКРЧ № 17-40-06-3. В соответствии с указанными документами для таких устройств, в числе прочих, разрешены диапазоны 433,075–434,750 МГц, 868,7–869,2 МГц и 2400–2483,5 МГц.

Радиомодемы PROMODEM серий RF, ZigBee и Wi-Fi, работающие в этих диапазонах, могут эксплуатироваться без получения индивидуальных решений ГКРЧ и без оформления разрешений на использование радиочастот или радиочастотных каналов для конкретных пользователей. При соблюдении установленных требований к излучаемой мощности такие устройства обеспечивают беспроводной опрос контроллеров и приборов учета с интерфейсами RS-485 или RS-232 на расстояниях до нескольких километров, в том числе в условиях плотной городской застройки. Дополнительно предусмотрена возможность увеличения выходной мощности радиомодемов для компенсации потерь в антенно-фидерном тракте.

Радиомодемы PROMODEM, работающие в диапазоне 2,4 ГГц, поддерживают разделение сети на независимые подсети за счет настройки номера канала или идентификатора сети. Радиомодемы PROMODEM RF-433 и RF-868 функционируют на фиксированных каналах (434,125 МГц и 869,125 МГц соответственно); для снижения вероятности взаимных помех и наложения пакетов данных в них реализован режим LBT (прослушивание канала перед передачей).

Перевод master-контроллера на беспроводной опрос через радиомодемы PROMODEM RF (433, 868 или 2400 МГц)
или Broadcast PROMODEM ZigBee

Если в качестве опрашивающего устройства используется master-контроллер (RS‑485), а не компьютер с диспетчерской программой, то для замены проводной шины RS‑485 между ним и кустом slave-контроллеров (или приборов учета) можно использовать широковещательные модемы PROMODEM RF и Broadcast PROMODEM ZigBee.

Радиомодемы PROMODEM RF оснащены клеммной колодкой и просто, под винт, подключаются к интерфейсам RS‑485 контроллеров, которые продолжат опрос так, как будто до сих пор соединены проводной шиной. Только не забудьте выставить в вашем master-контроллере значение тайм-аута на ожидание ответа 1,5–2 секунды с учетом задержек в радиоканале (рис. 2).

Рис. 2. Беспроводная широковещательная трансляция запросов от master-контроллера и прием ответов от slave-контроллеров или приборов учета по радиоканалу через радиомодемы PROMODEM RF (433, 868 или 2400 МГц)

Выбор модема под ваш проект будет определяться следующими соображениями.

Если между антеннами центрального и оконечных модемов есть прямая видимость при расстоянии не более 1–2 км, то можно использовать модемы PROMODEM RF‑2400M, так как они работают в свободном от других радиоустройств (433, 868, LoRaWAN) диапазоне 2400 МГц, в том числе на каналах, не перекрывающихся Wi-Fi-сетями (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительная таблица радиомодемов PROMODEM RF и Broadcast PROMODEM ZigBee (увеличить изображение)

При наличии существенных препятствий или в условиях плотной городской застройки возможно использовать PROMODEM RF‑868M на расстояниях до 5 км между центральным и оконечными модемами (работают в диапазоне 868 МГц).

Для опроса объектов внутри одного здания с большим числом бетонных и кирпичных перекрытий или группы зданий подойдут модемы PROMODEM RF‑433M с хорошей проникающей способностью (диапазон 433 МГц). Для опроса на расстояниях более 5 км вне населенных пунктов, в том числе без прямой видимости, разработаны мощные модемы PROMODEM RF‑433L (диапазон 433 МГц) с оформлением разрешения в установленном порядке.

Если slave-устройства не находятся в прямой видимости с центральным master-контроллером, но при этом расположены таким образом, что каждое из slave-устройств находится в прямой видимости с соседним, то для такой конфигурации объектов подойдут модемы Broadcast PROMODEM ZigBee. Они обеспечат не просто беспроводной опрос между вашими master- и slave-устройствами, но и будут работать друг для друга как автоматические ретрансляторы, передавая запросы и ответы между master-контроллером и недоступными напрямую объектами через альтернативные маршруты прохождения сигнала (рис. 3).

Рис. 3. Автоматическая ретрансляция запросов и ответов между модемами mesh-сети ZigBee при широковещательном опросе через центральный радиомодем Broadcast Master PROMODEM ZigBee (BM) удаленных или труднодоступных slave-объектов, подключенных к оконечным радиомодемам Broadcast Slave PROMODEM ZigBee (BSn)

Примеры реализованных проектов на модемах PROMODEM RF и Broadcast PROMODEM ZigBee:
- беспроводной доступ к кустам нефтегазовой автоматики и канализационных насосных станций (КНС)на территориях без сотовой связи;
- беспроводная автоматизация на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ);
- замена проводной шины RS‑485 между Modbus-master-контроллером и Modbus-slave-устройствами на беспроводной опрос по радиоканалу.

Перевод компьютера с диспетчерской программой на беспроводной опрос через модемы PROMODEM WiFi или ZigBee (координатор и маршрутизаторы)

В случаях, когда в качестве опрашивающего устройства используется компьютер с диспетчерской программой, а не master-контроллер, для замены проводного соединения между компьютером и группой slave-контроллеров либо приборов учета применяются беспроводные решения. В таких конфигурациях используются модемы PROMODEM RF и Broadcast PROMODEM ZigBee, работающие в режиме координатора и маршрутизаторов.

При выборе технологии беспроводной передачи данных для промышленных и инфраструктурных объектов часто рассматриваются ZigBee и Wi-Fi, работающие в диапазоне 2,4 ГГц. Обе технологии имеют свои особенности, которые следует учитывать при проектировании систем удалённого сбора данных.

Wi-Fi целесообразно применять в случаях, когда на объекте уже развернута беспроводная сетевая инфраструктура либо существует возможность организовать стабильное покрытие с использованием маршрутизаторов и повторителей. Такой подход удобен при компактном размещении оборудования и наличии централизованной сети передачи данных. ZigBee используется для построения автономных самоорганизующихся радиосетей без применения внешних роутеров и базовых станций. Этот вариант подходит для объектов с большими расстояниями между узлами, а также для систем, где предъявляются повышенные требования к изоляции оборудования от корпоративных или внешних сетей.Далее рассматриваются возможные варианты построения персональных беспроводных сетей для удалённого опроса устройств с интерфейсами RS-485 и RS-232 с использованием программного обеспечения на диспетчерском компьютере.

Вариант сети Wi-Fi при опросе через программу на диспетчерском компьютере. Подключив 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 вашей диспетчерской программой с любого компьютера, ноутбука или планшета, который тоже подключен к этой сети (рис. 4).

Рис. 4. Устройства RS‑485 / RS‑232, подключенные к модемам PROMODEM WiFi, получают IP-адрес и опрашиваются диспетчерской программой по TCP-портам (увеличить изображение)

Фактически модем PROMODEM WiFi – это промышленный преобразователь/конвертер RS‑485 (или RS‑232) в TCP (в рамках локальной сети). 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. 5). В модемах PROMODEM WiFi предусмотрен встроенный программный конвертер «Modbus RTU-TCP» для возможности опроса подключенного к нему устройства Modbus RTU вашей диспетчерской программой (SCADA) по протоколу Modbus TCP.

Рис. 5. Веб-интерфейс настройки модема PROMODEM WiFi через браузер

Вариант сети ZigBee при опросе через программу на диспетчерском компьютере. Если обеспечить Wi-Fi-покрытие на объекте не представляется возможным, персональную сеть можно развернуть на базе модемов PROMODEM ZigBee – маршрутизаторов и координаторов, которые сами организуют сетевую инфраструктуру, без роутеров и базовых станций.

Организуется сеть следующим образом (рис. 6):
- ваши устройства на объектах подключаются к маршрутизаторам ZigBee по интерфейсу RS‑485 (или RS‑232);
- к диспетчерскому компьютеру подключается координатор ZigBee для трансляции опросов из вашей диспетчерской программы в беспроводную сеть ZigBee;
- при этом каждый маршрутизатор ZigBee является автоматическим ретранслятором для соседних модемов, что обеспечивает опрос слишком удаленных от диспетчерского компьютера устройств: даже если маршрутизатор не видит координатор 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 вашей диспетчерской программе отдельные TCP-порты (или виртуальные COM-порты) для адресного опроса ваших устройств и датчиков на объектах;
- в отличие от ZigBee-модемов Broadcast-серии, координатор и маршрутизаторы ZigBee обеспечивают именно адресный опрос: запрос получит именно тот модем-маршрутизатор сети, которому он предназначен (а не все модемы, как при широковещательном опросе), что позволяет вести быстрый опрос, с частотой до 1 раза в секунду;
- таким образом, как и в случае с сетью Wi-Fi, ваша диспетчерская программа опрашивает каждое удаленное устройство (RS‑485/RS‑232) или датчик по отдельному TCP-порту (или виртуальному COM-порту).

Рис. 6. Беспроводной адресный опрос диспетчерской программой (Windows) каждого устройства или датчика по отдельному TCP-порту с помощью службы данных PROMODEM и ZigBee-модемов: центрального «коордиантора» (К) на компьютере и оконечных «маршрутизаторов» (Мn) на объектах (увеличить изображение)

Примеры реализованных проектов на модемах PROMODEM WiFi и ZigBee:
- 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.

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 пара устройств обменивается данными друг с другом, не замечая подмены проводного подключения на модемное.

На небольших расстояниях или в зоне действия сети Wi-Fi предприятия можно применять пару модемов PROMODEM WiFi. При этом на расстояниях порядка 20 м можно обойтись без внешней точки доступа (один из парных модемов PROMODEM WiFi будет выполнять ее роль). Если расстояние между двумя модемами PROMODEM WiFi значительное, используется внешняя точка доступа для организации Wi-Fi-покрытия (рис. 7).

Рис. 7. 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) (увеличить изображение)

На расстояниях в сотни метров, когда отсутствует возможность организовать Wi-Fi-покрытие на объекте, можно подключить к обоим устройствам радиомодемы PROMODEM RF (рис. 8) по интерфейсу RS‑485 или RS‑232 (дополнительное сетевое оборудование не потребуется). При использовании направленных антенн и наличии прямой видимости между ними можно организовать радиосвязь между двумя устройствами на расстоянии в несколько километров.

Рис. 8. Радиоудлинитель RS‑485 (232) «точка – точка» на базе пары модемов PROMODEM RF (433, 868 или 2400 МГц)

Такие пары радиоудлинителей «точка – точка» можно разбросать по одному объекту, мешать друг другу они не будут. Пары радиомодемов PROMODEM RF‑2400 можно разбивать на независимые подсети через настройку номера канала. Радиомодемы PROMODEM RF‑433 и RF‑868 работают на одном канале (434,125 и 869,125 МГц соответственно), поэтому для снижения вероятности наложения передачи пакетов от разных устройств в них предусмотрена возможность включения режима LBT (проверка качества канала перед отправкой каждой посылки в эфир).

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 зеркальных направленных антенн.

Радиоудлинитель RS-интерфейса «точка – точка» между master-контроллером и удаленным кустом slave-объектов

При значительном удалении центрального Modbus-master-контроллера (или любой другой протокол) от куста slave-контроллеров можно организовать шлюз на базе пары радиомодемов PROMODEM RF‑868M (5 км) или RF‑433L (16 км) с направленными антеннами в режиме удлинителя RS-порта (рис. 9).

Рис. 9. Радиорелейная связь на модемах-шлюзах PROMODEM RF-868M (до 5 км) или RF-433L (до 16 км) для ретрансляции запросов от master-контроллера в сеть радиомодемов PROMODEM RF (433, 868 или 2400 МГц) на удаленном кусте объектов (увеличить изображение)

Запрос от master-контроллера через радиорелейную связь передается на радиомодем PROMODEM RF Master, подключенный к интерфейсу RS‑232 дальнего модема-шлюза PROMODEM RF‑868M (или RF‑433L). Дальше этот запрос передается в радиоканале (433, 868 или 2400 МГц) всем радиомодемам PROMODEM RF Slave (1, 2, 3 … n) и попадает во все ваши slave-контроллеры (1, 2, 3 … n) на кусте. Ваш slave-контроллер-адресат (в соответствии с адресацией Modbus или любого другого протокола) отвечает, и через подключенный к нему радиомодем PROMODEM RF Slave ответ уходит:
- в центральный модем PROMODEM RF Master;
- через RS‑232 попадает в модем-шлюз PROMODEM RF‑868M (или RF‑433L);
- затем через радиорелейную связь – в парный модем-шлюз PROMODEM RF‑868M (или RF‑433L);
- и, наконец, в ваш master-контроллер;
- master-контроллер ведет опрос так, словно удаленный куст slave-контроллеров подключен к нему по проводной шине RS‑485/232 (с поправкой на задержки в радиоканале).

Радиорелейная связь для покрытия расстояния от master-контроллера до удаленного куста объектов строится на радиомодемах PROMODEM RF с направленными антеннами:
- до 5 км – пара радиомодемов PROMODEM RF‑868M;
- до 16 км – пара радиомодемов PROMODEM RF‑433L (эксплуатация этих модемов требует получения разрешения в установленном порядке).

Радиосеть куста объектов строится на модемах PROMODEM RF:
- RF‑2400M, если между модемом PROMODEM RF Master и радиомодемами PROMODEM RF Slave есть прямая видимость на расстоянии 1–2 км;
- RF‑868M, если между модемом PROMODEM RF Master и радиомодемами PROMODEM RF Slave расположена плотная застройка или лесополоса (но не более 5 км для прямой видимости);
- RF‑433M, если радиомодемы PROMODEM RF расположены внутри одного здания или группы рядом стоящих построек.

GPRS/LTE-шлюз PROMODEM GSM (LTE) для ретрансляции опроса между master-контроллером и географически удаленным кустом slave-объектов, объединенных в радиосеть на базе модемов PROMODEM RF

При многокилометровом расстоянии между Modbus-master-контроллером (или любой другой протокол) и кустом slave-контроллеров, можно организовать шлюз на базе пары модемов PROMODEM GSM (или LTE) в режиме удлинителя RS-порта (рис. 10).

Рис. 10. GPRS- или LTE-удлинитель «точка – точка» для ретрансляции запросов от master-контроллера в сеть радиомодемов PROMODEM RF (433, 868 или 2400 МГц) на географически удаленном кусте объектов (увеличить изображение)

Один из модемов PROMODEM GSM (или LTE) настраивается как TCP-сервер и снабжается сим-картой со статическим IP-адресом. Второй модем PROMODEM GSM (или LTE) с обычной сим-картой настраивается как TCP-клиент и автоматически подключается к статическому IP-адресу парного модема, образуя прозрачный беспроводной канал связи «RS – RS».

Запрос от master-контроллера через сеть сотового оператора передается на радиомодем PROMODEM RF Master, подключенный к интерфейсу RS‑232 дальнего модема-шлюза PROMODEM GSM (или LTE). Дальше этот запрос передается в радиоканале (433, 868 или 2400 МГц) всем радиомодемам PROMODEM RF Slave (1, 2, 3 … n) и попадает во все ваши slave-контроллеры (1, 2, 3 … n) на кусте.

Slave-контроллер-адресат (в соответствии с адресацией Modbus или любого другого протокола) отвечает, и через подключенный к нему радиомодем PROMODEM RF Slave ответ уходит:
- в центральный модем PROMODEM RF Master;
- через RS‑232 попадает в модем-шлюз PROMODEM GSM (или LTE);
- затем через сеть сотового оператора – в парный модем-шлюз PROMODEM GSM (или LTE);
- и, наконец, в master-контроллер;
- master-контроллер ведет опрос так, словно удаленный на любое расстояние куст slave-контроллеров подключен к нему по проводной шине RS‑485/232 (с поправкой на задержки в радиоканале).

ООО «Аналитик-ТС» выпускает антенны для работы в диапазонах 433 МГц, 868 МГц и 2,4 ГГц, предназначенные для применения совместно с модемами PROMODEM. Антенны представлены в нескольких конструктивных исполнениях, что позволяет выбирать решения с учетом условий эксплуатации и вариантов монтажа оборудования (см. табл. 2).

Таблица 2. Антенны для модемов PROMODEM WiFi, ZigBee, а также радиомодемов PROMODEM RF-433, RF- 868 и RF-2400 (увеличить изображение)

Опубликовано_в журнале ИСУП № 6(114)_2024

А. Д. Яманов, к. т. н.,
руководитель отдела продаж,
ООО «АналитикТС»:
PROMODEM^®, AnCom^®, г. Москва,
тел.: +7 (495) 775‑6008,
e-mail: sales@promodem.ru

Иллюстрации предоставлены компанией ООО «АналитикТС»