摘要
為優(yōu)化生產(chǎn)、提升效率、降低運營成本，管理人員通常會利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來管理各類智能設(shè)備。隨著對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需求的增加，越來越多的管理人員會采用最流行的工業(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)來集成大量的現(xiàn)場設(shè)備。事實上，Modbus TCP 協(xié)議是一種公開的協(xié)議，可以讓管理人員根據(jù)遠程控制應(yīng)用來快速的客制自己的程序。
對某些關(guān)鍵的工業(yè)應(yīng)用，如石油和天然氣行業(yè)，即使是單個鏈路發(fā)生故障也會對整體系統(tǒng)的工作效率產(chǎn)生巨大影響。正因如此，對過程自動化而言，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
越來越多的工業(yè)應(yīng)用中會使用各類工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如EtherNet/ IP、PROFINET 和Modbus TCP，用于控制中心的實時數(shù)據(jù)采集，來提升系統(tǒng)響應(yīng)時間，并降低運營成本。由于Modbus TCP 協(xié)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(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
但工業(yè)應(yīng)用中各類不同設(shè)備仍在運行，他們都采用各自的協(xié)議。因此，管理人員會使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過Modbus TCP 集成底層設(shè)備，從而保證系統(tǒng)的正常運行，也可以保留原有設(shè)備而降低整體的運營成本。有了工業(yè)網(wǎng)關(guān)，即使是來自不同現(xiàn)場協(xié)議（如PROFIBUS 和Modbus RTU/ ASCII）的數(shù)據(jù)流都可以整合到一個Modbus TCP 網(wǎng)絡(luò)，從而大大減少運營成本和整合時間。
Modbus TCP 協(xié)議采用“主 - 從”技術(shù)，當主站發(fā)送一個請求給從站，從站會在一個連續(xù)周期內(nèi)將數(shù)據(jù)反饋給主站。在某些情況下，必須在一個預(yù)先設(shè)定的時間間隔內(nèi)發(fā)送回復(fù)，否則會被認為超時，從而引發(fā)通訊故障。網(wǎng)關(guān)的作用就像一個橋梁，它可以使兩臺或多臺采用不同協(xié)議的設(shè)備彼此建立通訊連接。它具有強大的處理能力來盡快執(zhí)行請求，也非常易于管理。
然而，鏈路故障可能會導(dǎo)致周期內(nèi)的數(shù)據(jù)延遲，從而影響整個運行效率，特別對關(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，過程自動化的系統(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(wǎng)關(guān)同時獲取多個主站發(fā)來的數(shù)據(jù)信息；而作為主站，網(wǎng)關(guān)又必須連接多臺從站設(shè)備，并且保證設(shè)備之間的正常通訊。若要處理一個廣域網(wǎng)連接，網(wǎng)關(guān)必須具備足夠的處理能力來支持多個連接，同時在一個預(yù)設(shè)的時間范圍內(nèi)處理所有請求，而不影響響應(yīng)時間。
有些網(wǎng)關(guān)只使用16 位元處理器，這樣會限制網(wǎng)關(guān)在設(shè)備支持和響應(yīng)時間上的能力。而具備更高處理能力的網(wǎng)關(guān)可以同時支持多臺設(shè)備，但并不影響響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這就是為什么某些網(wǎng)關(guān)最多可支持16 個接入連接，而某些網(wǎng)關(guān)只能提供8 個連接。
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，并確保可以得到盡快處理。請求優(yōu)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(wǎng)絡(luò)連接中有不同設(shè)備發(fā)出多個請求時，網(wǎng)關(guān)可設(shè)定過濾特定的Modbus TCP 命令作為緊急命令，并將其發(fā)送到隊列前面，就好像是一個緊急的“暫?！泵顏硗Ｖ跪?qū)動一樣。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(shè)備發(fā)出的重要I/O 信號可能會關(guān)聯(lián)到整個系統(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)對任何突發(fā)的通信問題，例如電源故障或網(wǎng)絡(luò)中斷等。此外，當有未經(jīng)授權(quán)的訪問或登錄失敗時，網(wǎng)關(guān)還應(yīng)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(fā)生的硬件問題，如電源故障和網(wǎng)絡(luò)中斷時，最好的辦法就是通過繼電器輸出報警，用于現(xiàn)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(wǎng)關(guān)應(yīng)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(fā)生故障時，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。
另一種常見的硬件問題是以太網(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)交換機的問題，都可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。網(wǎng)關(guān)應(yīng)盡快通知管理員，避免影響整個系統(tǒng)運行。
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)的訪問或登錄失敗）、網(wǎng)絡(luò)問題、協(xié)議問題、電源失效或系統(tǒng)重啟等。當發(fā)生電源失效，很可能是因為固件問題，因此網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)時，從一開始您就可能會遇到協(xié)議配置的問題。使用錯誤的slave ID、錯誤的數(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。您可以通過改變設(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)，以此來驗證數(shù)據(jù)的準確性。
網(wǎng)關(guān)會記錄所有流量的詳細數(shù)據(jù)，并顯示解碼后的最新I/O 信息。由于這些功能相當復(fù)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(diào)查之前發(fā)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(yōu)化Modbus TCP 主站和現(xiàn)場設(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，可同時處理最多16個連接請求，確保與SCADA、HMI和PLC的通訊。當設(shè)為主機時，它可以處理最高32個從屬設(shè)備的連接請求。
● 自動檢測，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，消除了因不同協(xié)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(shè)備和I/O模塊，無需手動輸入數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)零失誤。MGate MB3000網(wǎng)關(guān)具有超時自動響應(yīng)功能，使網(wǎng)關(guān)能自動檢測每臺連接設(shè)備的響應(yīng)時間。
● 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(shè)置。Moxa的MGate MB3000系列網(wǎng)關(guān)具有專利的優(yōu)先級控制設(shè)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(yīng)。
● 基于Web 的監(jiān)控工具，可提供在線數(shù)據(jù)監(jiān)測。Moxa 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品提供了一個基于Web 的工具，可分類所有通過的數(shù)據(jù)，并顯示實時狀態(tài)信息。通過這個工具，用戶可以很容易地監(jiān)控編譯過的數(shù)據(jù)，監(jiān)控每次傳輸?shù)拿?、響?yīng)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(shè)置、事件日志，以及一個強大的工具來分析和監(jiān)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PROFIBUS 設(shè)備專業(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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