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工业级以太网网关的 性能和管理优化

摘要

为优化生产、提升效率、降低运营成本,管理人员通常会利用工业网络来管理各类智能设备。随着对网络优化需求的增加,越来越多的管理人员会采用最流行的工业以太网协议——Modbus TCP 协议,搭配工业以太网网关来集成大量的现场设备。事实上Modbus TCP 协议是一种公开的协议,可以让管理人员根据远程控制应用来快速的客制自己的程序。

对某些关键的工业应用,如石油和天然气行业,即使是单个链路发生故障也会对整体系统的工作效率产生巨大影响。正因如此,对过程自动化而言,可靠的系统性能和管理就变得非常重要。这篇文章,我们会为您提供一些小贴士,帮助您优化多种设备的系统整合,以及如何提升设备的性能和管理。

概述

越来越多的工业应用中会使用各类工业网络协议,例如EtherNet/ IP、PROFINET 和Modbus TCP,用于控制中心的实时数据采集,来提升系统响应时间,并降低运营成本。由于Modbus TCP 协议的开放性以及安装的方便性,因而变成其中常用的一种工业网络协议。

但工业应用中各类不同设备仍在运行,他们都采用各自的协议。因此,管理人员会使用工业网关,通过Modbus TCP 集成底层设备,从而保证系统的正常运行,也可以保留原有设备而降低整体的运营成本。有了工业网关,即使是来自不同现场协议(如PROFIBUS 和Modbus RTU/ ASCII)的数据流都可以整合到一个Modbus TCP 网络,从而大大减少运营成本和整合时间。

Modbus TCP 协议采用“主 - 从”技术,当主站发送一个请求给从站,从站会在一个连续周期内将数据反馈给主站。在某些情况下,必须在一个预先设定的时间间隔内发送回复,否则会被认为超时,从而引发通讯故障。网关的作用就像一个桥梁,它可以使两台或多台采用不同协议的设备彼此建立通讯连接。它具有强大的处理能力来尽快执行请求,也非常易于管理。

然而,链路故障可能会导致周期内的数据延迟,从而影响整个运行效率,特别对关键应用(如石油和天然气)而言,这样的延迟是非常致命的。因此,过程自动化的系统性能和管理就变得非常重要。怎样的网关才可以优化系统性能处理能力对一台工业网关而言,处理能力是非常重要的,因为它支持各种工业以太网接口,无论是作为主站或从站,都能处理多个连接。当作为从站,管理人员可通过网关同时获取多个主站发来的数据信息;而作为主站,网关又必须连接多台从站设备,并且保证设备之间的正常通讯。若要处理一个广域网连接,网关必须具备足够的处理能力来支持多个连接,同时在一个预设的时间范围内处理所有请求,而不影响响应时间。

有些网关只使用16 位元处理器,这样会限制网关在设备支持和响应时间上的能力。而具备更高处理能力的网关可以同时支持多台设备,但并不影响响应时间和数据传输的可靠性。这就是为什么某些网关最多可支持16 个接入连接,而某些网关只能提供8 个连接。

智能机制

除处理能力外,网关还必须支持智能机制,可优先传送紧急请求,并确保可以得到尽快处理。请求优先级的判断可通过Modbus TCP 命令功能代码、slave ID 或IP 地址/TCP 端口进行判断。当一个网络连接中有不同设备发出多个请求时,网关可设定过滤特定的Modbus TCP 命令作为紧急命令,并将其发送到队列前面,就好像是一个紧急的“暂停”命令来停止驱动一样。管理人员还可以指定某特定slave ID 的优先级别最高,因为该设备发出的重要I/O 信号可能会关联到整个系统的安全性。

网关是如何有效管理设备的

智能网关需能够应对任何突发的通信问题,例如电源故障或网络中断等。此外,当有未经授权的访问或登录失败时,网关还应该提供一个可用于故障排除的历史日志。

继电器输出

对于紧急发生的硬件问题,如电源故障和网络中断时,最好的办法就是通过继电器输出报警,用于现场进行故障诊断。管理人员使用继电器输出来控制I/O启动故障报警。此外,网关应该具备高可靠性,支持双电源输入,一个用于主电源输入,另一个作为备份电源(如电池电源)。当主电源发生故障时,电池可提供足够的电力保障,让网关发出报警信号通知管理人员。

另一种常见的硬件问题是以太网链路中断。通常由于线缆和连接器的质量,甚至是以太网交换机的问题,都可能会导致网络中断。网关应尽快通知管理员,避免影响整个系统运行。

日志记录

像大多数网络设备一样,网关可以提供事件日志用于故障排除、记录重要事件(例如非经授权的访问或登录失败)、网络问题、协议问题、电源失效或系统重启等。当发生电源失效,很可能是因为固件问题,因此网关必须记录该事件,便于今后进行故障排除。

控制台和实用工具

当安装和配置网关时,从一开始您就可能会遇到协议配置的问题。使用错误的slave ID、错误的数据地址,甚至是不正确的波特率,都将导致网关和设备之间无法建立有效连接。大多数情况下,即使连接已经建立,也有必要检查网络之间的I/O 数据传输知否正确。您可以通过改变设备的I/O 数据,并检查网关是否显示不正确数据,以此来验证数据的准确性。

网关会记录所有流量的详细数据,并显示解码后的最新I/O 信息。由于这些功能相当复杂,因此需要一个实用工具,可显示详细的事件信息,并提供友好的用户界面,帮助您去调查之前发生的任何问题。

Moxa的解决方案

本文重点介绍了几个小贴士,帮助您优化Modbus TCP 主站和现场设备之间的互操作性和管理性。而上述的这些功能都已经在Moxa 网关产品中得以体现,例如MGate MB3000 系列和MGate5101-PBM-MN 系列。

? 高处理能力,可处理多个连接。Moxa的网关产品采用功能强大的32位ARM处理器,在slave模式下,可同时处理最多16个连接请求,确保与SCADA、HMI和PLC的通讯。当设为主机时,它可以处理最高32个从属设备的连接请求。

? 自动检测,消除人工数据输入的失误。Moxa网关产品优化了数据监测,消除了因不同协议而带来的困扰。MGate 5101-PBM-PN带有AutoScan(自动扫描)功能,可自动扫描所有连接的PROFIBUS从站设备和I/O模块,无需手动输入数据,真正实现零失误。MGate MB3000网关具有超时自动响应功能,使网关能自动检测每台连接设备的响应时间。

? 优先级控制为Modbus网络的紧急请求提供了更高的优先级设置。Moxa的MGate MB3000系列网关具有专利的优先级控制设计,让紧急请求的优先顺序更高,并迫使某些命令立即作出反应。

? 基于Web 的监控工具,可提供在线数据监测。Moxa 网关产品提供了一个基于Web 的工具,可分类所有通过的数据,并显示实时状态信息。通过这个工具,用户可以很容易地监控编译过的数据,监控每次传输的命令、响应和异常。

? 事件日志和报警功能,优化故障排除。Moxa 网关产品,支持继电器报警设置、事件日志,以及一个强大的工具来分析和监测协议,提供性能和管理优化。此外,还提供双电源输入,支持-40~75℃宽温。不仅如此,MGate5101-PBM-PN 网关还通过PROFIBUS 设备专业质量认证体系的PI 认证,确保产品的高质量。

若想了解更多Moxa 工业级以太网网关,及其解决方案,请登录

简体中文网站:http://www.moxa.com.cn/product/Ethernet_Fieldbus_Gateways.htm

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

  
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