O Conversor Serial Ethernet MUX-10 M. B. Pereira, E. Araujo, ENAUTEC e F. Santana, COELBA 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 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. 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: II. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO 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.
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 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 1 Configurador do MUX-10 III. TESTES EM LABORATÓRIO 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: 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. 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 4 Mestre Ethernet -Tela de estatística
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: 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. 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 viceversa. 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 Figura 6 Mestre Serial - Tela de estatística 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 viceversa. 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 7 Mestre Serial - Tela de configuração
- 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; 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 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. 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. CARACTERÍSTICAS FINAIS 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: 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. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 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. 3 a 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.