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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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Modbus串行到以太网协议的高效、紧凑的工业网关

帕特尔·特贾什库马尔1，帕特尔·阿希什2帕特尔·哈迪克A3.
  1. 印度古吉拉特邦纳迪亚德达尔辛德赛大学IC系研究生
  2. 印度古吉拉特邦纳迪亚德达尔辛德赛大学集成电路系助理教授
  3. 工程经理，Adcon自动化私人有限公司，艾哈迈达巴德，古吉拉特邦，印度
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

网关是连接两个网络的设备。网络的协议可能相同也可能不同。可以使用不同协议的不同类型的网关。本文提出了一种节能、紧凑、可靠的网关设计方案，可供工业应用。它连接两个不同协议的设备，其中一个协议是Modbus RTU，另一个是基于以太网的协议，如PROFINET和Modbus TCP。它为客户提供了从任何供应商/制造商选择仪器的便利，没有任何与数据通信相关的限制。这将有助于降低总体成本。来自所有设备的数据可以在一个平台上收集，以便以后监控、存储和分析。

关键字
协议转换器，Modbus协议，高效通信，以太网通信。

介绍
为了在控制室或远程站接收来自现场设备的数据，使用了各种类型的协议和通信系统。不同的仪器有不同的通信协议。通过不同协议的设备对一台服务器进行数据采集是一项非常复杂的任务。有时旧的仪器与最新的技术不兼容，更换仪器需要很高的成本。要解决这类问题，需要使用不同类型的网关。目前可用的网关成本很高，功耗很高。这些网关只支持由制造商在设备中配置的预定义协议。如果需要更改任何协议，客户必须购买另一个网关。普通网关的编程是非常困难的，一个没有很高的协议和编程语言知识的人是无法配置它们的。
本文提出了一种高效、紧凑、低成本的网关设计。此外，通信非常可靠，连接简单。它使用预装固件的netIC。支持所有实时以太网协议。该magnetic是一个完整的“单芯片模块”，具有双直列(DIL) 32脚插件模块的紧凑尺寸。它基于网络控制器netX，包含现场总线或实时以太网接口的所有组件，集成2端口交换机和集线器。该网关还包含MAX3485 CPE收发器，用于与基于Modbus RTU的仪器通信。仪器可通过db9连接器连接。基于以太网协议的客户端或其他设备可以通过RJ-45连接器进行连接。如果需要协议的板上配置，MAX3232 CPA也可以与网关中的netIC连接。基于Modbus RTU的从设备连接在网关的一个端口上，主设备连接在第二个端口上。这里使用MAX3485 CPE，因此最多可以连接31个从设备。 All components used in the proposed gateway are worked within 0 to +5V range which helps to reduce power consumption as compare to conventional gateways. The netIC contains inbuilt web server which can be used to set the IP address, subnet address, DNS server etc. So if any non-technical person wants to change or set the IP then he can easily set it buy simply using web browser. For security purpose the webserver can be secured with user name and password.

相关工作
对于工业网关的设计，需要了解各种协议和通信标准。为研究工业以太网协议发表论文《基于以太网的实时和工业通信》，由j . d。Decotignie，载于IEEE论文集，第93卷，no。6、参考2005年。有关Modbus RTU协议的详细信息，请参考Modbus Organization 2012年4月26日发布的《Modbus应用协议规范v1.1b3》。关于《磁》的相关信息，请参考hilscher的《磁》手册。

系统建模与设计
通过在“配置”中配置的各种Modbus命令，从从设备定期向网关获取数据。这些数据存储在注册镜像在磁。当新数据从从设备到达网关时，它会自动替换旧数据。因此，网关中的数据存储不是永久的，内存类型是不稳定的。当网关与主设备通信时，此数据通过以太网通信传输到主设备。网关中的数据传输过程如图1所示。
可以通过netX配置工具配置。为了配置netIC，需要评估板。也可以在网关内通过RS232串行通信进行配置。可以通过以上两种方式连接到PC。将netX连接到PC后，可以通过netX配置器进行配置。在配置器中可以选择实时以太网协议。其他协议默认为Modbus RTU。在配置器中，可以选择各种Modbus命令从从设备读取/写入数据。波特率和设备ID也可以根据从设备配置进行选择。Modbus RTU协议的RS485、RS422或RS232等串行连接方式可在配置器中选择。 After selecting all proper parameters, the configuration is downloaded in netIC.As shown in Fig. 1, when master device send the command to access any data or to write data, the data from master device is sent into netIC through real-time Ethernet communication and stored into register image via IN register. After that this data is sent to slave device or Host system via Modbus RTU. When data from the slave device is first stored into register image and then sent to Master device via OUT register and real-time Ethernet communication.

结果与讨论
该网关采用PROFINET和MODBUS TCP协议，在以太网上工作。各从机采用RS485 Modbus RTU通信方式进行网关测试。当采用PROFINET协议进行以太网通信时，通过该网关可以同时获取scada和PLC中的数据。
图2显示了OPC服务器中的数据。从设备为24通道RTD扫描仪。图中项目id为RTD扫描仪的通道号。数据类型是由从设备发送的数据类型，可以根据从设备的规格进行更改。值为RTD扫描仪扫描到的实际参数数据或温度。质量与沟通有关。如果建立了健康的连接，那么它将显示“好”。如果连接有错误，它将显示“坏”，如果设备没有连接，那么质量将是“坏(退出服务)”。数据采集采用基于以太网的Modbus TCP协议。

结论
因此，该网关可用于连接两个不同协议的设备，即基于Modbus RTU的从设备到基于以太网的设备。此外，它只工作在+5V电源，因此它是节能的。它支持所有基于以太网的实时协议，因为它在两种基于以太网的协议上进行了测试。它非常紧凑，因为它只有很少的组件，比如三个集成电路和一些电阻和电容。

数字一览
数字 数字
图1 图2

参考文献
  1. j。Decotignie，“基于以太网的实时和工业通信”，IEEE，第93卷，第6期，2005年。
  2. S. Djiev，“用于通信和控制的工业网络”，在ELDE阅读“工业自动化要素”
  3. “磁体”的介绍希尔舍，沟通能力
  4. Johannes Kasberger，“工业以太网的优势”学士学位，2010/2011冬季学期
  5. 岳亚杰，沙晨明，张晓静，“基于主机链路协议的上位机与PLC串行通信的实现”，计算机工程学报，第4卷，第18期，pp. 80 ~ 88, 2012。
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