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  摘要

  為優化生產、提升效率、降低運營成本，管理人員通常會利用工業網絡來管理各類智能設備。隨著對網絡優化需求的增加，越來越多的管理人員會采用最流行的工業以太網協議——Modbus TCP 協議，搭配工業以太網網關來集成大量的現場設備。事實上，Modbus TCP 協議是一種公開的協議，可以讓管理人員根據遠程控制應用來快速的客制自己的程序。

  對某些關鍵的工業應用，如石油和天然氣行業，即使是單個鏈路發生故障也會對整體系統的工作效率產生巨大影響。正因如此，對過程自動化而言，可靠的系統性能和管理就變得非常重要。這篇文章，我們會為您提供一些小貼士，幫助您優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

  越來越多的工業應用中會使用各類工業網絡協議，例如EtherNet/ IP、PROFINET 和Modbus TCP，用于控制中心的實時數據采集，來提升系統響應時間，并降低運營成本。由于Modbus TCP 協議的開放性以及安裝的方便性，因而變成其中常用的一種工業網絡協議。

  但工業應用中各類不同設備仍在運行，他們都采用各自的協議。因此，管理人員會使用工業網關，通過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成本。有了工業網關，即使是來自不同現場協議（如PROFIBUS 和Modbus RTU/ ASCII）的數據流都可以整合到一個Modbus TCP 網絡，從而大大減少運營成本和整合時間。

  Modbus TCP 協議采用“主 - 從”技術，當主站發送一個請求給從站，從站會在一個連續周期內將數據反饋給主站。在某些情況下，必須在一個預先設定的時間間隔內發送回復，否則會被認為超時，從而引發通訊故障。網關的作用就像一個橋梁，它可以使兩臺或多臺采用不同協議的設備彼此建立通訊連接。

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

  怎樣的網關才可以優化系統性能

  處理能力

  對一臺工業網關而言，處理能力是非常重要的，因為它支持各種工業以太網接口，無論是作為主站或從站，都能處理多個連接。當作為從站，管理人員可通過網關同時獲取多個主站發來的數據信息；而作為主站，網關又必須連接多臺從站設備，并且保證設備之間的正常通訊。若要處理一個廣域網連接，網關必須具備足夠的處理能力來支持多個連接，同時在一個預設的時間范圍內處理所有請求，而不影響響應時間。

  有些網關只使用16 位元處理器，這樣會限制網關在設備支持和響應時間上的能力。而具備更高處理能力的網關可以同時支持多臺設備，但并不影響響應時間和數據傳輸的可靠性。這就是為什么某些網關最多可支持16 個接入連接，
而某些網關只能提供8 個連接。

  智能機制

  除處理能力外，網關還必須支持智能機制，可優先傳送緊急請求，并確保可以得到盡快處理。請求優先級的判斷可通過Modbus TCP 命令功能代碼、slave ID 或IP 地址/TCP 端口進行判斷。當一個網絡連接中有不同設備發出多個請求時，網關可設定過濾特定的Modbus TCP 命令作為緊急命令，并將其發送到隊列前面，就好像是一個緊急的“暫停”命令來停止驅動一樣。管理人員還可以指定某特定slave ID 的優先級別最高，因為該設備發出的重要I/O 信號可能會關聯到整個系統的安全性。

  網關是如何有效管理設備的

  智能網關需能夠應對任何突發的通信問題，例如電源故障或網絡中斷等。此外，當有未經授權的訪問或登錄失敗時，網關還應該提供一個可用于故障排除的歷史日志。

  繼電器輸出

  對于緊急發生的硬件問題，如電源故障和網絡中斷時，最好的辦法就是通過繼電器輸出報警，用于現場進行故障診斷。管理人員使用繼電器輸出來控制I/O啟動故障報警。此外，網關應該具備高可靠性，支持雙電源輸入，一個用于主電源輸入，另一個作為備份電源（如電池電源）。當主電源發生故障時，電池可提供足夠的電力保障，讓網關發出報警信號通知管理人員。

  另一種常見的硬件問題是以太網鏈路中斷。通常由于線纜和連接器的質量，甚至是以太網交換機的問題，都可能會導致網絡中斷。網關應盡快通知管理員，避免影響整個系統運行。

  日志記錄

  像大多數網絡設備一樣，網關可以提供事件日志用于故障排除、記錄重要事件（例如非經授權的訪問或登錄失敗）、網絡問題、協議問題、電源失效或系統重啟等。當發生電源失效，很可能是因為固件問題，因此網關必須記錄該事件，便于今后進行故障排除。

  控制臺和實用工具

  當安裝和配置網關時，從一開始您就可能會遇到協議配置的問題。使用錯誤的slave ID、錯誤的數據地址，甚至是不正確的波特率，都將導致網關和設備之間無法建立有效連接。大多數情況下，即使連接已經建立，也有必要檢查網絡之間的I/O 數據傳輸知否正確。您可以通過改變設備的I/O 數據，并檢查網關是否顯示不正確數據，以此來驗證數據的準確性。

  網關會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，因此需要一個實用工具，可顯示詳細的事件信息，并提供友好的用戶界面，幫助您去調查之前發生的任何問題。

  Moxa的解決方案

  本文重點介紹了幾個小貼士，幫助您優化Modbus TCP 主站和現場設備之間的互操作性和管理性。而上述的這些功能都已經在Moxa 網關產品中得以體現，例如MGate MB3000 系列和MGate5101-PBM-MN 系列。

   高處理能力，可處理多個連接。Moxa的網關產品采用功能強大的32位ARM處理器，在slave模式下，可同時處理最多16個連接請求，確保與SCADA、HMI和PLC的通訊。當設為主機時，它可以處理最高32個從屬設備的連接請求。

  自動檢測，消除人工數據輸入的失誤。Moxa網關產品優化了數據監測，消除了因不同協議而帶來的困擾。MGate 5101-PBM-PN帶有AutoScan（自動掃描）功能，可自動掃描所有連接的PROFIBUS從站設備和I/O模塊，無需手動輸入數據，真正實現零失誤。MGate MB3000網關具有超時自動響應功能，使網關能自動檢測每臺連接設備的響應時間。

   優先級控制為Modbus網絡的緊急請求提供了更高的優先級設置。Moxa的MGate MB3000系列網關具有專利的優先級控制設計，讓緊急請求的優先順序更高，并迫使某些命令立即作出反應。

   基于Web 的監控工具，可提供在線數據監測。Moxa 網關產品提供了一個基于Web 的工具，可分類所有通過的數據，并顯示實時狀態信息。通過這個工具，用戶可以很容易地監控編譯過的數據，監控每次傳輸的命令、響應和
異常。

  事件日志和報警功能，優化故障排除。Moxa 網關產品，支持繼電器報警設置、事件日志，以及一個強大的工具來分析和監測協議，提供性能和管理優化。此外，還提供雙電源輸入，支持-40~75℃寬溫。不僅如此，MGate5101-PBM-PN 網關還通過PROFIBUS 設備專業質量認證體系的PI 認證，確保產品的高質量。

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  簡體中文網站：

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

  英文網站：http://www.moxa.com/Event/Tech/2012/MGate_5101-PBMMN_Solution/index.htm