notizie sull'azienda Tipi di evoluzione e guida alla selezione dei gateway Modbus

Immaginate gli strumenti e i sensori industriali come messaggeri silenziosi, che generano una vasta quantità di dati. L'efficienza e l'accuratezza con cui questi dati raggiungono i centri di controllo dipendono fortemente dai protocolli di comunicazione. Modbus, un protocollo ampiamente adottato in ambito industriale, svolge questo ruolo fondamentale. Tuttavia, il tradizionale Modbus RTU presenta limitazioni in termini di velocità e scalabilità, spingendo allo sviluppo di Modbus TCP basato su rete. Per colmare il divario tra questi protocolli, sono emersi i gateway Modbus. Questo articolo esplora quattro diversi tipi di gateway Modbus, dai convertitori di protocollo di base ai gateway configurabili, evidenziandone l'evoluzione, i vantaggi, gli svantaggi e i criteri di selezione pratici per gli ingegneri.

Un gateway Modbus è un dispositivo che converte il protocollo Modbus TCP in protocollo Modbus RTU/ASCII. Nell'automazione industriale, Modbus è ampiamente utilizzato per l'acquisizione dati da strumenti e sensori. Tuttavia, i tradizionali protocolli Modbus RTU (o ASCII) basati su RS485 soffrono di velocità di trasmissione e scalabilità limitate. Per soddisfare le crescenti esigenze di rete, è stato introdotto Modbus TCP basato su Ethernet. I gateway Modbus fungono da ponte tra i dispositivi Modbus TCP e RTU/ASCII, svolgendo un ruolo cruciale nei sistemi di automazione industriale.

L'evoluzione dei gateway Modbus riflette la ricerca del settore industriale di una maggiore efficienza e flessibilità nella trasmissione dei dati. Dalla semplice conversione del protocollo ai gateway multi-host, ai gateway di archiviazione e ai gateway configurabili, ogni tipo affronta sfide specifiche. Comprendere i loro punti di forza e di debolezza aiuta gli ingegneri a selezionare la soluzione ottimale per le loro applicazioni.

I primi gateway Modbus fornivano una conversione di base del formato dati. Ad esempio, un comando Modbus RTU (terminale RS485) per leggere un registro all'indirizzo 00 utilizzando il codice funzione 03 sarebbe: 01 03 00 00 00 01 84 0a , dove 84 0A è il checksum CRC. Il corrispondente comando Modbus TCP (lato rete) sarebbe: 00 00 00 00 00 06 01 03 00 00 00 01 . I server seriali semplici utilizzano una modalità di "trasmissione trasparente", inviando gli stessi dati ( 01 03 00 00 00 01 84 0A ) sia alle porte seriali che a quelle di rete. Per ottenere la conversione da RTU a TCP, il checksum CRC ( 84 0A ) e l'header ( 00 00 00 00 00 06 ) devono essere rimossi.

Sebbene questa conversione di base soddisfacesse le esigenze iniziali, presenta notevoli svantaggi:

• Nessun supporto multi-host: Più host Modbus TCP non possono accedere al gateway contemporaneamente. Si verificano collisioni di dati quando l'Host A e l'Host B trasmettono contemporaneamente, corrompendo le comunicazioni del bus RS485.
• Interferenza delle risposte: Le risposte all'Host A vengono inviate anche all'Host B, causando la contaminazione dei dati.

Sebbene in gran parte obsoleti, la comprensione dei convertitori di protocollo semplici fornisce un contesto per lo sviluppo del gateway. Negli strumenti di configurazione come ZLVircom, la selezione di "Modbus TCP to RTU" come protocollo di conversione e la disabilitazione di "multi-host" e "prevenzione delle collisioni RS485" nelle opzioni avanzate abilita questa modalità.

I gateway Modbus multi-host risolvono le limitazioni dei convertitori semplici. Quando gli Host A e B accedono al gateway contemporaneamente, questi gateway implementano l'arbitraggio del bus per prevenire le collisioni. Inoltre, le risposte all'Host A non vengono inoltrate all'Host B, eliminando le interferenze.

Passaggi di comunicazione:

1. Il gateway controlla la disponibilità del bus alla ricezione di una query dall'Host A. Se inattivo, la richiesta viene inviata al bus RS485; altrimenti, attende.
2. Il gateway registra l'host che interroga (Host A).
3. Quando il dispositivo RS485 risponde, il gateway converte i dati in formato Modbus TCP e li inoltra esclusivamente all'Host A.

Vantaggi:

• Abilita l'accesso multi-host simultaneo.
• Previene le collisioni del bus e le interferenze delle risposte.

Svantaggi:

• Tempi di risposta lenti: Gli host devono attendere 50–100 ms per i dati a causa della latenza del bus RS485.
• Rischi di timeout con molti host: Le risposte più lente aumentano la probabilità di timeout nelle reti di grandi dimensioni.

I primi modelli come ZLAN5142 erano impostati di default in modalità multi-host. Per i dispositivi più recenti (ad esempio, firmware ZLAN5143 ≥1.565), questa modalità è abilitata impostando "Tempo di attesa collisione bus RS485" su ≤2 secondi negli strumenti di configurazione.

I gateway di archiviazione ottimizzano la velocità prelevando e memorizzando nella cache i dati. Invece di interrogare i dispositivi in tempo reale, memorizzano localmente i registri a cui si accede frequentemente, riducendo i tempi di risposta a 1–2 ms.

Caratteristiche principali:

• Autoapprendimento: Registra automaticamente i registri richiesti senza configurazione manuale.
• Query preventive: Interroga periodicamente i registri appresi per aggiornare i dati memorizzati nella cache.

Vantaggi:

• Risposte quasi istantanee per i dati memorizzati nella cache.
• Funzionamento a zero configurazione.

Limitazioni:

• Latenza della prima query: Le richieste iniziali richiedono ancora l'accesso al bus RS485.
• Compatibilità dei dispositivi: L'interrogazione aggressiva può sopraffare alcuni strumenti. La regolazione di "Tempo di inattività RS485" mitiga questo problema.
• Dati obsoleti: I valori memorizzati nella cache possono ritardare di millisecondi.
• Problemi di temporizzazione: Interrompe le operazioni di lettura-scrittura sequenziali in applicazioni sensibili al tempo.

La modalità di archiviazione è l'impostazione predefinita per i gateway moderni come ZLAN5143. I problemi 2–4 possono essere risolti tornando alla modalità multi-host, sebbene con prestazioni inferiori.

I gateway configurabili (ad esempio, gateway ZLMB) eliminano la latenza della prima query predefinendo le mappe dei registri. A differenza dei gateway di archiviazione, richiedono la configurazione manuale, ma offrono un'efficienza superiore.

Vantaggi:

• Risposte rapide per tutte le query, comprese le richieste iniziali.
• Consolidamento dei comandi: Mappa registri disparati in indirizzi TCP contigui, consentendo l'aggregazione dei dati a query singola.
• Rimappatura degli indirizzi: Riorganizza i registri discreti in blocchi logici.

Svantaggi:

• Richiede l'impostazione manuale; i gateway di archiviazione sono preferibili per le distribuzioni semplici.
• Eredita problemi relativi all'archiviazione come dati obsoleti e vincoli di temporizzazione.

I modelli che supportano la modalità configurabile (ad esempio, firmware ZLAN5143 ≥1.579, firmware ZLAN7144 ≥1.491) utilizzano strumenti di configurazione dedicati per definire le mappature dei registri.

I gateway configurabili offrono la massima efficienza, ma richiedono la configurazione. I gateway di archiviazione offrono un equilibrio tra velocità e semplicità, mentre la modalità multi-host rimane un'alternativa per i dispositivi incompatibili. I convertitori di protocollo semplici sono raramente utilizzati a causa dei rischi di collisione.