摘要

  為優(yōu)化生產(chǎn)、提升效率、降低運營(yíng)成本，管理人員通常會(huì )利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò )來(lái)管理各類(lèi)智能設備。隨著(zhù)對網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化需求的增加，越來(lái)越多的管理人員會(huì )采用最流行的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議——Modbus TCP 協(xié)議，搭配工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來(lái)集成大量的現場(chǎng)設備。事實(shí)上，Modbus TCP 協(xié)議是一種公開(kāi)的協(xié)議，可以讓管理人員根據遠程控制應用來(lái)快速的客制自己的程序。

  對某些關(guān)鍵的工業(yè)應用，如石油和天然氣行業(yè)，即使是單個(gè)鏈路發(fā)生故障也會(huì )對整體系統的工作效率產(chǎn)生巨大影響。正因如此，對過(guò)程自動(dòng)化而言，可靠的系統性能和管理就變得非常重要。這篇文章，我們會(huì )為您提供一些小貼士，幫助您優(yōu)化多種設備的系統整合，以及如何提升設備的性能和管理。

  概述

  越來(lái)越多的工業(yè)應用中會(huì )使用各類(lèi)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，例如EtherNet/ IP、PROFINET 和Modbus TCP，用于控制中心的實(shí)時(shí)數據采集，來(lái)提升系統響應時(shí)間，并降低運營(yíng)成本。由于Modbus TCP 協(xié)議的開(kāi)放性以及安裝的方便性，因而變成其中常用的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

  但工業(yè)應用中各類(lèi)不同設備仍在運行，他們都采用各自的協(xié)議。因此，管理人員會(huì )使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)Modbus TCP 集成底層設備，從而保證系統的正常運行，也可以保留原有設備而降低整體的運營(yíng)成本。有了工業(yè)網(wǎng)關(guān)，即使是來(lái)自不同現場(chǎng)協(xié)議（如PROFIBUS 和Modbus RTU/ ASCII）的數據流都可以整合到一個(gè)Modbus TCP 網(wǎng)絡(luò )，從而大大減少運營(yíng)成本和整合時(shí)間。

  Modbus TCP 協(xié)議采用“主 - 從”技術(shù)，當主站發(fā)送一個(gè)請求給從站，從站會(huì )在一個(gè)連續周期內將數據反饋給主站。在某些情況下，必須在一個(gè)預先設定的時(shí)間間隔內發(fā)送回復，否則會(huì )被認為超時(shí)，從而引發(fā)通訊故障。網(wǎng)關(guān)的作用就像一個(gè)橋梁，它可以使兩臺或多臺采用不同協(xié)議的設備彼此建立通訊連接。

   它具有強大的處理能力來(lái)盡快執行請求，也非常易于管理。然而，鏈路故障可能會(huì )導致周期內的數據延遲，從而影響整個(gè)運行效率，特別對關(guān)鍵應用（如石油和天然氣）而言，這樣的延遲是非常致命的。因此，過(guò)程自動(dòng)化的系統性能和管理就變得非常重要。

  怎樣的網(wǎng)關(guān)才可以?xún)?yōu)化系統性能

  處理能力

  對一臺工業(yè)網(wǎng)關(guān)而言，處理能力是非常重要的，因為它支持各種工業(yè)以太網(wǎng)接口，無(wú)論是作為主站或從站，都能處理多個(gè)連接。當作為從站，管理人員可通過(guò)網(wǎng)關(guān)同時(shí)獲取多個(gè)主站發(fā)來(lái)的數據信息；而作為主站，網(wǎng)關(guān)又必須連接多臺從站設備，并且保證設備之間的正常通訊。若要處理一個(gè)廣域網(wǎng)連接，網(wǎng)關(guān)必須具備足夠的處理能力來(lái)支持多個(gè)連接，同時(shí)在一個(gè)預設的時(shí)間范圍內處理所有請求，而不影響響應時(shí)間。

  有些網(wǎng)關(guān)只使用16 位元處理器，這樣會(huì )限制網(wǎng)關(guān)在設備支持和響應時(shí)間上的能力。而具備更高處理能力的網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)支持多臺設備，但并不影響響應時(shí)間和數據傳輸的可靠性。這就是為什么某些網(wǎng)關(guān)最多可支持16 個(gè)接入連接，
而某些網(wǎng)關(guān)只能提供8 個(gè)連接。

  智能機制

  除處理能力外，網(wǎng)關(guān)還必須支持智能機制，可優(yōu)先傳送緊急請求，并確?？梢缘玫奖M快處理。請求優(yōu)先級的判斷可通過(guò)Modbus TCP 命令功能代碼、slave ID 或IP 地址/TCP 端口進(jìn)行判斷。當一個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接中有不同設備發(fā)出多個(gè)請求時(shí)，網(wǎng)關(guān)可設定過(guò)濾特定的Modbus TCP 命令作為緊急命令，并將其發(fā)送到隊列前面，就好像是一個(gè)緊急的“暫停”命令來(lái)停止驅動(dòng)一樣。管理人員還可以指定某特定slave ID 的優(yōu)先級別最高，因為該設備發(fā)出的重要I/O 信號可能會(huì )關(guān)聯(lián)到整個(gè)系統的安全性。

  網(wǎng)關(guān)是如何有效管理設備的

  智能網(wǎng)關(guān)需能夠應對任何突發(fā)的通信問(wèn)題，例如電源故障或網(wǎng)絡(luò )中斷等。此外，當有未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)或登錄失敗時(shí)，網(wǎng)關(guān)還應該提供一個(gè)可用于故障排除的歷史日志。

  繼電器輸出

  對于緊急發(fā)生的硬件問(wèn)題，如電源故障和網(wǎng)絡(luò )中斷時(shí)，最好的辦法就是通過(guò)繼電器輸出報警，用于現場(chǎng)進(jìn)行故障診斷。管理人員使用繼電器輸出來(lái)控制I/O啟動(dòng)故障報警。此外，網(wǎng)關(guān)應該具備高可靠性，支持雙電源輸入，一個(gè)用于主電源輸入，另一個(gè)作為備份電源（如電池電源）。當主電源發(fā)生故障時(shí)，電池可提供足夠的電力保障，讓網(wǎng)關(guān)發(fā)出報警信號通知管理人員。

  另一種常見(jiàn)的硬件問(wèn)題是以太網(wǎng)鏈路中斷。通常由于線(xiàn)纜和連接器的質(zhì)量，甚至是以太網(wǎng)交換機的問(wèn)題，都可能會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )中斷。網(wǎng)關(guān)應盡快通知管理員，避免影響整個(gè)系統運行。

  日志記錄

  像大多數網(wǎng)絡(luò )設備一樣，網(wǎng)關(guān)可以提供事件日志用于故障排除、記錄重要事件（例如非經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)或登錄失?。?、網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題、協(xié)議問(wèn)題、電源失效或系統重啟等。當發(fā)生電源失效，很可能是因為固件問(wèn)題，因此網(wǎng)關(guān)必須記錄該事件，便于今后進(jìn)行故障排除。

  控制臺和實(shí)用工具

  當安裝和配置網(wǎng)關(guān)時(shí)，從一開(kāi)始您就可能會(huì )遇到協(xié)議配置的問(wèn)題。使用錯誤的slave ID、錯誤的數據地址，甚至是不正確的波特率，都將導致網(wǎng)關(guān)和設備之間無(wú)法建立有效連接。大多數情況下，即使連接已經(jīng)建立，也有必要檢查網(wǎng)絡(luò )之間的I/O 數據傳輸知否正確。您可以通過(guò)改變設備的I/O 數據，并檢查網(wǎng)關(guān)是否顯示不正確數據，以此來(lái)驗證數據的準確性。

  網(wǎng)關(guān)會(huì )記錄所有流量的詳細數據，并顯示解碼后的最新I/O 信息。由于這些功能相當復雜，因此需要一個(gè)實(shí)用工具，可顯示詳細的事件信息，并提供友好的用戶(hù)界面，幫助您去調查之前發(fā)生的任何問(wèn)題。

  Moxa的解決方案

  本文重點(diǎn)介紹了幾個(gè)小貼士，幫助您優(yōu)化Modbus TCP 主站和現場(chǎng)設備之間的互操作性和管理性。而上述的這些功能都已經(jīng)在Moxa 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品中得以體現，例如MGate MB3000 系列和MGate5101-PBM-MN 系列。

   高處理能力，可處理多個(gè)連接。Moxa的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品采用功能強大的32位ARM處理器，在slave模式下，可同時(shí)處理最多16個(gè)連接請求，確保與SCADA、HMI和PLC的通訊。當設為主機時(shí)，它可以處理最高32個(gè)從屬設備的連接請求。

  自動(dòng)檢測，消除人工數據輸入的失誤。Moxa網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品優(yōu)化了數據監測，消除了因不同協(xié)議而帶來(lái)的困擾。MGate 5101-PBM-PN帶有AutoScan（自動(dòng)掃描）功能，可自動(dòng)掃描所有連接的PROFIBUS從站設備和I/O模塊，無(wú)需手動(dòng)輸入數據，真正實(shí)現零失誤。MGate MB3000網(wǎng)關(guān)具有超時(shí)自動(dòng)響應功能，使網(wǎng)關(guān)能自動(dòng)檢測每臺連接設備的響應時(shí)間。

   優(yōu)先級控制為Modbus網(wǎng)絡(luò )的緊急請求提供了更高的優(yōu)先級設置。Moxa的MGate MB3000系列網(wǎng)關(guān)具有專(zhuān)利的優(yōu)先級控制設計，讓緊急請求的優(yōu)先順序更高，并迫使某些命令立即作出反應。

   基于Web 的監控工具，可提供在線(xiàn)數據監測。Moxa 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品提供了一個(gè)基于Web 的工具，可分類(lèi)所有通過(guò)的數據，并顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。通過(guò)這個(gè)工具，用戶(hù)可以很容易地監控編譯過(guò)的數據，監控每次傳輸的命令、響應和
異常。

  事件日志和報警功能，優(yōu)化故障排除。Moxa 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，支持繼電器報警設置、事件日志，以及一個(gè)強大的工具來(lái)分析和監測協(xié)議，提供性能和管理優(yōu)化。此外，還提供雙電源輸入，支持-40~75℃寬溫。不僅如此，MGate5101-PBM-PN 網(wǎng)關(guān)還通過(guò)PROFIBUS 設備專(zhuān)業(yè)質(zhì)量認證體系的PI 認證，確保產(chǎn)品的高質(zhì)量。

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  簡(jiǎn)體中文網(wǎng)站：

  http://www.moxa.com.cn/product/Ethernet_Fieldbus_Gateways.htm

  英文網(wǎng)站：http://www.moxa.com/Event/Tech/2012/MGate_5101-PBMMN_Solution/index.htm