vk_logo twitter_logo facebook_logo googleplus_logo youtube_logo telegram_logo telegram_logo

SNR-ERD-4: Автоматизация для искушенных 80

Дата публикации: 05.09.2016
Количество просмотров: 9247
Автор:

1.Предыстория

Десять лет назад рынка автоматизации, как такового, в России не было. Средства автоматизации были никому не нужны. Специалистам, реализующим технические решения, приходилось либо разрабатывать их самостоятельно, либо использовать наследство, оставшееся со времен Союза.

В то же время началось массовое внедрение ШПД и провайдеры всех уровней сталкивались с проблемой "зависания" оборудования. Для поддержания сети в рабочем состоянии, операторам приходилось отправлять персонал на узлы связи для ручной перезагрузки оборудования.

Первые попытки решить сложившуюся проблему выглядели устрашающе, были подвержены собственным сбоям и нетехнологичны. Пример устройства под названием "Pinger" представлен на рисунке 1.

Pinger
Рисунок 1 – Внешний вид устройства "Pinger"

На выручку отрасли пришли специалисты НАГа с первыми устройством серии SNR-ERD. Эти устройства отправляли ICMP-запросы к сетевому оборудованию и, в случае обнаружения сбоя, осуществляли его перезагрузку.

Время не стояло на месте - вместе с развитием ШПД развивался и рынок автоматизации. Провайдерам требовалось больше гибкости, больше функционала. В частности, клиенты просили добавить возможность измерения температуры окружающей среды и напряжения на аккумуляторных батареях.

Ответом на эти требования стало появление устройств второй серии ERD-2, в арсенал которых входит:

  • управление по WEB и SNMP;
  • четыре дискретных входа для подключения датчиков с релейным выходом;
  • датчик фазы (смачиваемый дискретный вход);
  • два дискретных выхода управления нагрузками (розетками типа SNR-SMART);
  • встроенный цифровой датчик температуры;
  • один вход АЦП с диапазоном измерения напряжения от 0 до 72В;
  • напряжение питания 5В.

 

Внешний вид ERD-2 представлен на рисунке 2.


Рисунок 2 – Внешний вид ERD-2

ERD-2 нашло широкое применение у операторов связи для мониторинга температуры в дата-центрах (ЦОДах). Так, например, компания Mail.Ru Group установила более 800 штук ERD-2. Приведем отзыв заместителя технического директора Mail.Ru Group, Кубасова Сергея:

 

Используем ERD-2 для мониторинга температуры в  дата-центрах "М100" (Mail.Ru Group) и "ИЦВА" (Вконтакте). При выборе решения для нас было важно: 

  1. Цена - в случае с ERD стоимость одного термодатчика (в совокупности с контроллером) одна из самых низких;
  2. Периферия - для ERD достаточно иметь любой L2-коммутатор, нет необходимости покупать какие-то дополнительные контроллеры для агрегаций;
  3. Скорость внедрения - API продукта описано настолько подробно, насколько это вообще возможно;
  4. Срок поставки - вне зависимости от запрашиваемых нами объемов, отгрузка осуществлялась "на следующий день" или в приемлемые для нас сроки;
  5. Гибкость производства - небольшая кастомизация в виде увеличения длины кабеля термодатчика, была выполнена оперативно и без дополнительных вопросов;
  6. Высокая надежность - за весь период эксплуатации хочу отметить очень низкий процент брака и практически полное отсутствие выхода из строя;
  7. Поддержка - ответы по проблемам получаем очень оперативно.
     

Чего не хватает:

  1. PoE - приходится тянуть питание, что очень неудобно;
  2. Датчиков влажности - тогда бы мы смогли на ERD выполнить полный контроль климата.

И вновь, ориентируясь на запросы клиентов, через некоторое время на свет появились устройства третьей серии. Помимо уже зарекомендовавшего в ERD-2 функций и оснащения, в ERD-3 были добавлены:

  • последовательные интерфейсы передачи данных RS-232 и RS-485;
  • дополнительный датчик фазы;
  • внешний порт для подключения до пяти датчиков 1-Wire (SNR-DTS-2);
  • возможность установки GSM/GPRS модуля для реализации беспроводного канала передачи данных, а так же отправки SMS-уведомлений;
  • Passive PoE с напряжением питания 5В.


Также, устройство получило удобный металлический корпус и крепление на DIN-рейку. Внешний вид ERD-3 представлен на рисунке 3.

ERD-3 представляют собой устройства 3 в 1: конвертор интерфейсов Ethernet/RS232 или Ethernet/RS485, контроллер UPS (Uninterruptible power supply) c поддержкой протокола MegaTec, а также устройство мониторинга состояния датчиков, температуры среды и напряжения.

ERD-3
Рисунок 3 – Внешний вид ERD-3

Помимо провайдеров, устройство ERD-3 широко применяется различными интеграторами для малой автоматики и построения систем АСКУЭ в качестве конвертора интерфейсов Ethernet/RS-485 и Ethernet/RS-232 для опроса различных счетчиков ресурсов.    

Модификация ERD-3 с дополнительным модулем GSM/GPRS, получившая название ERD-GSM, широко применяется в решениях, где в качестве основного канала передачи данных используется GSM/GPRS или требуется резервный канал.

Надежность устройств ERD, открытость команды разработчиков к пожеланиям клиентов и привлекательная цена расширили перечень решений, в которых применялись устройства серии ERD-2 и ERD-3. Клиенты с регулярным постоянством просили реализовать дополнительные функции и алгоритмы. Со временем, стало очевидно, что для дальнейшего развития устройств семейства ERD требуются новые вычислительные и аппаратные ресурсы. Остро встал вопрос выбора новой аппаратной платформы.

В качестве основы для нового аппаратно-программного комплекса был выбран 32-битный микроконтроллер STM32F407 фирмы ST и современный PHY-контроллер KSZ8031RNL для работы с сетью Ethernet. В связи со сменой платформы потребовалось полностью переписать программное обеспечение. Одновременно было решено перевести функциональный софт под управление операционной системы реального времени RTOS. Операционная системы позволила развязать управляющий цикл и построить вызов функций на основе гибких приоритетов. Также, устройство получило возможность электропитания, как через внешние выделенные контакты, так и по стандартам PoE IEEE 802.3af-2003 и IEEE 802.3at-2009, а так же Passive PoE от 36 до 48 В.

Перевод линейки устройств ERD на новую платформу решено было осуществлять в несколько этапов. Сперва было разработано устройство только с базовым оснащением, в которое вошли:

  • один датчик фазы;
  • два дискретных входа;
  • два дискретных выхода;
  • один вход АЦП до 72В;
  • ethernet порт 100 Мбит/с;
  • внешний порт для подключения до десяти датчиков 1-Wire (SNR-DTS-2);
  • поддержка PoE 802.3af/at и выделенный разъем питания от 8 до 18 В.


 Устройство получило название ERD-Pro-mini. Внешний вид ERD-Pro-mini представлен на рисунке 4.


Рисунок 4 – Внешний вид ERD-PRO-mini

ERD-Pro-mini нашло применение в решениях, где требовалась высокая пропускная способность порта Ethernet и электропитание по стандарту PoE 802.3af/аt.

 

2. Постановка задачи

При всех достоинствах ERD-Pro-mini, были и некоторые недостатки. В частности, в процессе эксплуатации ERD-Pro-mini выяснилось, что из-за специфики корпуса возникали случаи ошибочной подачи напряжения питания на контакты, не предназначенные для этого, что, в свою очередь, приводило к необратимым повреждениям устройства и последующему обращению в сервисный центр компании НАГ.

Напротив, признанным достоинством ERD-3 был удобный корпус, возможность модульного расширения и наличие интерфейсов RS-232 и RS-485, а "узким" местом был 8-битный контроллер ATmega328 с его 32 Кбайтами флэш-памяти против 1024 Кбайт у STM32F407. Если клиент просил реализовать какую-нибудь новую функцию, то для этого приходилось вырезать какую-нибудь другую. Так и появилась задача объединения всего лучшее от ERD-3 и ERD-Pro-mini.

 

3. Аппетит приходит во время еды

С самого начала разработки было очевидно, что площадь печатной платы ERD-3 примерно в 1,5 раза меньше чем у ERD-PRO-mini. Это требовало некоторого повышения плотности расположения электронных компонентов, что в свою очередь, предъявляло более высокие требования к точности изготовления печатной платы. Тем не менее, эта задача сама по себе не представляла трудностей. Но как только команда разработчиков приступила к выработке технического задания и определению характеристик нового устройства, выяснилось, что помимо стандартной оснастки ERD-3 и ERD-PRO-mini, разрабатываемое устройство должно обладать совершенно новыми свойствами и характеристиками. В частности, на борту устройства дополнительно требовалось разместить:

  • защиту от смены полярности напряжения питания;
  • повышающий DC/DC-преобразователь 12В, для питания внешних датчиков;
  • понижающий DC/DC-преобразователь 5В, совместимый со стандартами PoE;
  • цепи резервирования при питании от PoE и через выделенный разъем питания;
  • прецизионный DAC (ЦАП), для осуществления функции PID-регулирования;
  • мощное силовое реле, для коммутации нагрузок с напряжением до 250 В и током до 10 А;
  • пять комбинированных портов входов и выходов, так называемые порты DIO (digital input/output);
  • самовосстанавливающиеся предохранители, для защиты портов DIO и порта DAC,
  • дополнительную внешнюю энергонезависимую память для хранения настроек и результатов измерения.


В дополнение к вышеперечисленному списку,  новое устройство должно было обеспечивать среднее время наработки на отказ 75000 часов, а также удовлетворять требованиям по устойчивости к электромагнитным воздействиям для оборудования информационных технологий, согласно ГОСТ CISPR 24-2013.

Разрабатываемое устройство решено было назвать "Многофункциональный контроллер SNR-ERD-4" или сокращенно просто ERD-4.

Далее, началось проектирование принципиальной схемы, подбор компонентов и изготовление первых опытных образцов. Этот процесс лучше всего характеризуется цитатой основателя Tesla Motors и SpaceX Илона Маска:

"Если что-то не развалилось, значит, вы недостаточно хорошо изобретаете".

Для того, чтобы обеспечить требуемые характеристики надежности и устойчивости к электромагнитным воздействиям, инженерами компании НАГ выполнено тщательное моделирование процесса работы устройства. Для подтверждения результатов моделирования опытные образцы подвергались различным экспериментам. На рисунке 5 представлен опытный образец ERD-4 во время испытания на устойчивость к воздушным электростатическим разрядам напряжением 8 кВ.

Испытание ERD-4 на устойчивость к электростатическим разрядам
Рисунок 5 – Испытание ERD-4 на устойчивость к электростатическим разрядам

Помимо электростатики, ГОСТ CISPR 24-2013 требует, чтобы устройство было устойчиво к следующим видам помех:

  • электромагнитное поле с частотами от 80 МГц до 1 ГГц с напряженностью 3 В/м;
  • электромагнитное поле промышленной частоты с напряженностью 1 A/м;
  • кондуктивные помехи, наведенные полями с частотой от 150 кГц до 80 МГц с амплитудой 3В;
  • наносекундные импульсные помехи с амплитудой 2 кВ;
  • микросекундные импульсы большой энергии с амплитудой 1 кВ.


На рисунке 6 представлен ERD-4 во время испытания на устойчивость к наносекундным импульсным помехам.


Рисунок 6 – Испытание ERD-4 на устойчивость к наносекундным импульсным помехам

На рисунке 7 представлен ERD-4 во время испытания на устойчивость к микросекундным импульсам большой энергии.


Рисунок 7 – Испытание ERD-4 на устойчивость к микросекундным импульсам большой энергии

Также были проведены испытания в климатических камерах, замеры предельных напряжений и токов. Все выявленные несоответствия устранялись, изготавливались новые образцы и снова подвергались испытаниям. Внешний вид итоговой печатной платы представлен на рисунке 8.

Внешний вид печатной платы ERD-4
Рисунок 8 – Внешний вид печатной платы ERD-4

Из всех новинок ERD-4, отдельно стоит остановиться на описании работы портов DIO и выхода DAC.

Фрагмент принципиальной схемы одного из портов DIO приведен на рисунке 9. Особенность их реализации заключается в том, что каждый порт может работать как на вход (режим DI), так и на выход (режим DO). Достигается это тем, что микроконтроллер подключен к каждому порту двумя выводами GPIO через специальные развязывающие цепи D11 и Q17. Данное решение позволило увеличить гибкость ERD-4. Пользователь теперь может сам определить необходимую конфигурацию портов. Например, конфигурация "5 входов + реле" будет полезна в тех приложениях, где необходимо подключить большое кол-во датчиков с релейным выходом (охрана периметра,  контроль протечек воды). Реле в данной конфигурации может включать сирену или насос откачки грунтовых вод. Если пользователю необходимо управлять большим количеством реле, контакторов или пускателей, то он может использовать конфигурацию "5 выходов + реле". Между этими двумя крайностями возможны любые промежуточные конфигурации: "2 входа + 3 выхода", "4 входа и 1 выход" и т.д.

Также, впервые в серии ERD, выходы ERD-4 могут коммутировать нагрузки с напряжением питания до 48В и с номинальным/импульсным током до 0.5/1А. Это позволяет значительно расширить возможности сопряжения ERD-4 с внешними коммутационными приборами и нагрузками. В частности,  могут быть использованы широко распространенные реле на 12 В и на 24 В. Если же предполагается использовать пятивольтовые коммутационные приборы, такие как розетки SNR-SMART, то встроенный источник напряжения позволяет питать нагрузки суммарным током до 2 А.


Рисунок 9 – Фрагмент принципиальной схемы порта DIO

Функция DAC была добавлена в устройство для того, чтобы осуществлять управление различными вентиляционными заслонками, водопроводными вентилями и прочими приборами, входом которых является унифицированный сигнал 0-10 В. Порт DAC может управляться алгоритмом PID-регулирования, который позволяет поддерживать заданную величину температуры, напряжения или тока с очень высокой точностью, несмотря на изменение внешних условий объекта управления. Помимо базовой функции, порт DAC имеет альтернативный режим работы. В этом режиме порт может служить в качестве источника питания напряжением 12 В для подключения внешних активных датчиков или реле. Максимальный выходной ток порта DAC в режиме источника питания - 100 мА. Режим работы порта определяется настройками.

Устройство ERD-4 доступно в четырех исполнениях.  Варианты исполнения перечислены в таблице 1.

Таблица 1 – Варианты исполнения ERD-4 и их обозначения

Специально для ERD-4 были разработаны два мезонинных радиомодуля. Один для работы с GSM/GPRS, а другой - для сетей ISM диапазона 868 МГц.

Модуль GSM/GPRS позволяет осуществить резервное подключение по GSM/GPRS и управление через SMS. Модуль для сетей ISM 868 позволяет подключать различные беспроводные датчики, такие как счетчики импульсов, тепловычислители, датчики фазы и пр. Внешний вид печатной платы ERD-4 c мезонинным модулем ISM 868 представлен на рисунке 10, с модулем GSM/GPRS на рисунке 11. Общий внешний вид SNR-ERD-4S представлен на рисунке 12.

Детальное описание режимов работы, поддерживаемых функций и характеристик ERD-4 представлено в Руководстве по эксплуатации.


Рисунок 10 – Внешний вид печатной платы ERD-4


Рисунок 11 – Внешний вид печатной платы ERD-4


Рисунок 12 – Внешний вид многофункционального контроллера SNR-ERD-4

 

Заключение

Многофункциональный контроллер ERD-4 – это переход на новый уровень. Устройство стало надежней в работе, устойчивей к ошибкам пользователя и внешним электромагнитным возмущениям. ERD-4 обладает широким функционалом и отличной гибкостью конфигурации. Отдельно стоит отметить готовность команды разработчиков  реализовать любую идею заказчика. ERD-4 востребован на узлах связи, в ЦОДах, в различных шкафах с оборудованием для автоматизации контроля среды, контроля периметра, а так же при решении задач телеуправления различными нагрузками.

Подробней с характеристиками устройств семейства ERD можно ознакомиться на сайте компании ООО "НАГ".

От редакции: если у вас есть чем поделиться с коллегами по отрасли, приглашаем к сотрудничеству
Ссылка на материал, для размещения на сторонних ресурсах
/articles/article/29994/snr-erd-4-avtomatizatsiya-dlya-iskushennyih.html

Обсудить на форуме

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Зарегистрироваться