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  摘要

  為優(yōu)化生產(chǎn)、提升效率、降低運(yùn)營(yíng)成本，管理人員通常會(huì)利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理各類智能設(shè)備。隨著對(duì)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jù)遠(yuǎn)程控制應(yīng)用來(lái)快速的客制自己的程序。

  對(duì)某些關(guān)鍵的工業(yè)應(yīng)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(duì)整體系統(tǒng)的工作效率產(chǎn)生巨大影響。正因如此，對(duì)過(guò)程自動(dòng)化而言，可靠的系統(tǒng)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(shè)備的系統(tǒng)整合，以及如何提升設(shè)備的性能和管理。

  概述

  越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用中會(huì)使用各類工業(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(shù)據(jù)采集，來(lái)提升系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，并降低運(yùn)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(yīng)用中各類不同設(shè)備仍在運(yùn)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(shè)備，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也可以保留原有設(shè)備而降低整體的運(yùn)營(yíng)成本。有了工業(yè)網(wǎng)關(guān)，即使是來(lái)自不同現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議（如PROFIBUS 和Modbus RTU/ ASCII）的數(shù)據(jù)流都可以整合到一個(gè)Modbus TCP 網(wǎng)絡(luò)，從而大大減少運(yùn)營(yíng)成本和整合時(shí)間。

  Modbus TCP 協(xié)議采用“主 - 從”技術(shù)，當(dāng)主站發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給從站，從站會(huì)在一個(gè)連續(xù)周期內(nèi)將數(shù)據(jù)反饋給主站。在某些情況下，必須在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送回復(fù)，否則會(huì)被認(rèn)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(tái)或多臺(tái)采用不同協(xié)議的設(shè)備彼此建立通訊連接。

   它具有強(qiáng)大的處理能力來(lái)盡快執(zhí)行請(qǐng)求，也非常易于管理。然而，鏈路故障可能會(huì)導(dǎo)致周期內(nèi)的數(shù)據(jù)延遲，從而影響整個(gè)運(yùn)行效率，特別對(duì)關(guān)鍵應(yīng)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(tǒng)性能和管理就變得非常重要。

  怎樣的網(wǎng)關(guān)才可以優(yōu)化系統(tǒng)性能

  處理能力

  對(duì)一臺(tái)工業(yè)網(wǎng)關(guān)而言，處理能力是非常重要的，因?yàn)樗С指鞣N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(dāng)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(shù)據(jù)信息；而作為主站，網(wǎng)關(guān)又必須連接多臺(tái)從站設(shè)備，并且保證設(shè)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(yù)設(shè)的時(shí)間范圍內(nèi)處理所有請(qǐng)求，而不影響響應(yīng)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(shè)備支持和響應(yīng)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(tái)設(shè)備，但并不影響響應(yīng)時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＿@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(jī)制

  除處理能力外，網(wǎng)關(guān)還必須支持智能機(jī)制，可優(yōu)先傳送緊急請(qǐng)求，并確保可以得到盡快處理。請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)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(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接中有不同設(shè)備發(fā)出多個(gè)請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)關(guān)可設(shè)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(duì)列前面，就好像是一個(gè)緊急的“暫停”命令來(lái)停止驅(qū)動(dòng)一樣。管理人員還可以指定某特定slave ID 的優(yōu)先級(jí)別最高，因?yàn)樵撛O(shè)備發(fā)出的重要I/O 信號(hào)可能會(huì)關(guān)聯(lián)到整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

  網(wǎng)關(guān)是如何有效管理設(shè)備的

  智能網(wǎng)關(guān)需能夠應(yīng)對(duì)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(dāng)有未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)或登錄失敗時(shí)，網(wǎng)關(guān)還應(yīng)該提供一個(gè)可用于故障排除的歷史日志。

  繼電器輸出

  對(duì)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(bào)警，用于現(xiàn)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(bào)警。此外，網(wǎng)關(guān)應(yīng)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(dāng)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(bào)警信號(hào)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。通常由于線纜和連接器的質(zhì)量，甚至是以太網(wǎng)交換機(jī)的問(wèn)題，都可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。網(wǎng)關(guān)應(yīng)盡快通知管理員，避免影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

  日志記錄

  像大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(quán)的訪問(wèn)或登錄失敗）、網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題、協(xié)議問(wèn)題、電源失效或系統(tǒng)重啟等。當(dāng)發(fā)生電源失效，很可能是因?yàn)楣碳?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(tái)和實(shí)用工具

  當(dāng)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(cuò)誤的slave ID、錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)地址，甚至是不正確的波特率，都將導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)和設(shè)備之間無(wú)法建立有效連接。大多數(shù)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(shù)據(jù)傳輸知否正確。您可以通過(guò)改變?cè)O(shè)備的I/O 數(shù)據(jù)，并檢查網(wǎng)關(guān)是否顯示不正確數(shù)據(jù)，以此來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

  網(wǎng)關(guān)會(huì)記錄所有流量的詳細(xì)數(shù)據(jù)，并顯示解碼后的最新I/O 信息。由于這些功能相當(dāng)復(fù)雜，因此需要一個(gè)實(shí)用工具，可顯示詳細(xì)的事件信息，并提供友好的用戶界面，幫助您去調(diào)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(xiàn)，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(qiáng)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(qǐng)求，確保與SCADA、HMI和PLC的通訊。當(dāng)設(shè)為主機(jī)時(shí)，它可以處理最高32個(gè)從屬設(shè)備的連接請(qǐng)求。

  自動(dòng)檢測(cè)，消除人工數(shù)據(jù)輸入的失誤。Moxa網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品優(yōu)化了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，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(shè)備和I/O模塊，無(wú)需手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)零失誤。MGate MB3000網(wǎng)關(guān)具有超時(shí)自動(dòng)響應(yīng)功能，使網(wǎng)關(guān)能自動(dòng)檢測(cè)每臺(tái)連接設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間。

   優(yōu)先級(jí)控制為Modbus網(wǎng)絡(luò)的緊急請(qǐng)求提供了更高的優(yōu)先級(jí)設(shè)置。Moxa的MGate MB3000系列網(wǎng)關(guān)具有專利的優(yōu)先級(jí)控制設(shè)計(jì)，讓緊急請(qǐng)求的優(yōu)先順序更高，并迫使某些命令立即作出反應(yīng)。

   基于Web 的監(jiān)控工具，可提供在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。Moxa 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品提供了一個(gè)基于Web 的工具，可分類所有通過(guò)的數(shù)據(jù)，并顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。通過(guò)這個(gè)工具，用戶可以很容易地監(jiān)控編譯過(guò)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控每次傳輸?shù)拿睢㈨憫?yīng)和
異常。

  事件日志和報(bào)警功能，優(yōu)化故障排除。Moxa 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，支持繼電器報(bào)警設(shè)置、事件日志，以及一個(gè)強(qiáng)大的工具來(lái)分析和監(jiān)測(cè)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(shè)備專業(yè)質(zhì)量認(rèn)證體系的PI 認(rèn)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