ModBus網關是一種設備，用于在不同通信協議之間進行轉換，從而實現不同類型設備之間的互聯和通信。它在工業自動化中尤為常見，幫助將不同網絡拓撲和協議的設備集成到一個統一的系統中。

一

ModBus網關主要功能

1. 協議轉換：

- ModBus RTU/ASCII到ModBus TCP：在串行通信（如RS232、RS485）和以太網之間進行轉換。

- ModBus到其他協議：例如將ModBus轉換為BACnet、OPC UA、PROFINET等。

2. 互通性：允許使用不同通信協議的設備互相通信，可將傳統的串行設備接入現代以太網或無線網絡。

3. 網絡擴展：通過無線或光纖方式，擴大網絡的覆蓋范圍和連接距離。

4. 數據傳輸：提供可靠的實時數據傳輸和訪問，支持遠程監控和控制。

應用場景

? 工業自動化：整合各類傳感器、PLC和其他設備，進行集中監控和管理。

? 智能樓宇：連接不同協議的設備，如暖通空調、照明和安全系統。

? 能源管理：收集和傳輸來自不同地點的能耗數據，進行分析和優化。

? 遠程監控：通過互聯網或無線網絡，實現對遠程設備的監控和故障診斷。

二

ModBus網關分類

1. 簡單協議轉換網關

? 用途：將一種ModBus協議轉換為另一種ModBus協議（如ModBus RTU轉換為ModBus TCP）。

? 應用場景：需要將現有的ModBus設備集成到不同的通信網絡中，適用于簡單設備集成的情況。

2. 多主機網關

? 用途：允許多個主機與一個ModBus設備進行通信，通過調度機制解決多個主機爭用同一ModBus從設備的問題。

? 應用場景：在大型工業系統中，多個控制器或SCADA系統需要同時訪問同一個ModBus設備。

3. 存儲型網關

? 用途：不僅進行協議轉換，還具有數據存儲功能，可以記錄和存儲從ModBus設備采集的數據。

? 應用場景：需要長期數據存儲以進行歷史分析、設備診斷和趨勢預測的場景，如工業自動化和能源管理。

4. 配置型網關

? 用途：具有用戶可編程和配置的功能，用戶可以根據需求定制網關的行為和通信參數。

? 應用場景：需要靈活配置的環境，如復雜系統集成和定制化應用場景。

5. 無線網關

? 用途：通過無線通信技術（Wi-Fi、LoRa、ZigBee、4G/5G）連接ModBus設備和控制系統，減少布線成本和增加安裝靈活性。

? 應用場景：遠程監控、分布廣泛的工業設備監測和控制，如智慧城市和農業物聯網。

6. 邊緣計算網關

? 用途：在邊緣設備端進行數據處理和分析，通過本地計算減少數據傳輸量和網絡延遲，提高實時響應能力。

? 應用場景：實時監控和決策要求高的應用，如制造業車間監控和實時質量控制。

7. 安全型網關

? 用途：集成加密、認證、防火墻等安全功能，確保ModBus通信的完整性和保密性。

? 應用場景：對數據安全要求高的場景，如金融以及關鍵基礎設施管理系統。

8. 工業級網關

? 用途：為工業環境設計，具備高耐用性、抗電磁干擾和寬溫度范圍等特點，確保在惡劣條件下穩定運行。

? 應用場景：嚴苛的工業和戶外環境，如礦山、制造業和油氣田。

9. 集成網關

? 用途：支持多種工業協議的轉換，適應多種設備和系統之間的互聯互通。

? 應用場景：多協議混合的工業系統，如自動化工廠和樓宇管理系統。

10. 云端網關

? 用途：能夠連接云平臺，將ModBus數據上傳到云端進行存儲和分析，便于遠程訪問和管理。

? 應用場景：需要大規模數據存儲和高級數據分析的場景，如能源管理和遠程設備監測。

11. 智能網關

? 用途：具有智能算法和邏輯判斷能力，可以在本地進行自動控制和決策，減少對中央服務器的依賴。

? 應用場景：需要自適應控制和自動化決策的場景，如智能交通系統和自我優化生產線。

三

不同網關模式的區別

在此，我們將詳細講解并演示簡單協議轉換、多主機網關、存儲型網關及配置型網關的通訊過程。演示過程中，我們將借助串口服務器進行輔助。將設備的網口和串口分別接入交換機和電腦，使串口接入電腦便于觀察數據變化。同時，網口和電腦也需處于同一網絡環境，以便觀察數據變化。

相關環境

協議網關使用的是一款串口服務器設備，作為網關。串口（RS485）通過CH340接入電腦。電腦的口與串口設備處于同一網絡環境下。串口設備具體的連接方法可以查看：

①簡單協議轉換

簡單協議轉換是指將ModBus RTU數據與ModBus TCP數據直接進行協議轉換。首先，將串口服務器的ModBus工作模式修改為簡單協議模式。隨后使用軟件分別接入串口和網口，并通過串口和網口分別發送數據。

可以看到，簡單協議模式下，串口接收的RTU數據轉換為TCP協議后，通過網口發送。

②多主機網關

多主機網關模式針對簡單協議轉換只能存在一個ModBus主站的局限，進行擴展。此模式下，當多個主機同時訪問ModBus網關時，會進行總線占用管理，解決總線沖突問題。

我們使用調試軟件的自動應答功能，模擬多個從機的情況：

模擬查詢兩個從機寄存器0x0000的數據。

隨后使用網口軟件模擬同時訪問，使用批量發送數據，模擬同時訪問從機1和從機2的數據。

先看看簡單協議在同時訪問多個主機時的情況，可以看到總線出現數據沖突。

接下來，將串口服務器工作模式修改為多主機模式，再次發送數據，查看網口收發情況。

可以看到，多主機模式下，串口服務器根據不同的主機，將包拆分為不同的指令發送，解決了簡單模式下的總線占用沖突。

③存儲型網關

存儲型網關是對多主機模式的優化。當網口接收到查詢指令后，能夠將查詢指令及應答數據在一定時間內保存。此期間內，網口側的同樣查詢指令將直接從設備內存儲的數據應答。

為了演示效果，將指令存儲時間設置為60秒，輪詢間隔時間設置為10000毫秒。

請注意：這僅為演示效果，實際使用中需注意數據的時效性。

與多主機模式一樣，使用調試軟件的自動應答功能模擬實際使用。

設置完成后，通過網口向串口服務器發送查詢指令，可以看到，串口服務器會間隔一定時間自動進行輪詢，并不需要網口再次發送查詢指令。

多次發送相同的查詢指令，串口服務器會直接應答，而不會再通過串口查詢數據。

④配置型網關

配置型網關是存儲型網關的另一種形式。串口根據配置的ModBus指令自動輪詢設備寄存器，未配置指令和控制指令會直接操作RTU設備。串口的自動應答與存儲型網關一致，模擬兩個從機。為了直觀觀察，輪詢間隔時間設置為10000毫秒，設置一條從機1的預配置指令，從機2的指令用于對比。

設置完成后，可以看到，串口開始自動輪詢。

此時，用網口查詢從機1的寄存器，可以看到查詢指令直接由串口進行應答。

再查詢從機2的寄存器，對比兩個指令的差別。

查詢從機2的指令是實時的，網口收到查詢指令后，通過串口查詢，查詢到指令后再對網口的查詢指令進行應答。而從機1的指令則由串口服務器將存儲的數據直接應答。

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