什么是ModBus网关？不同ModBus网关模式讲解演示

ModBus网关是一种设备，用于在不同通信协议之间进行转换，从而实现不同类型设备之间的互联和通信。它在工业自动化中尤为常见，帮助将不同网络拓扑和协议的设备集成到一个统一的系统中。

一

ModBus网关主要功能

1. 协议转换：

- ModBus RTU/ASCII到ModBus TCP：在串行通信（如RS232、RS485）和以太网之间进行转换。

- ModBus到其他协议：例如将ModBus转换为BACnet、OPC UA、PROFINET等。

2. 互通性：允许使用不同通信协议的设备互相通信，可将传统的串行设备接入现代以太网或无线网络。

3. 网络扩展：通过无线或光纤方式，扩大网络的覆盖范围和连接距离。

4. 数据传输：提供可靠的实时数据传输和访问，支持远程监控和控制。

应用场景

• 工业自动化：整合各类传感器、PLC和其他设备，进行集中监控和管理。

• 智能楼宇：连接不同协议的设备，如暖通空调、照明和安全系统。

• 能源管理：收集和传输来自不同地点的能耗数据，进行分析和优化。

• 远程监控：通过互联网或无线网络，实现对远程设备的监控和故障诊断。

二

ModBus网关分类

1. 简单协议转换网关

• 用途：将一种ModBus协议转换为另一种ModBus协议（如ModBus RTU转换为ModBus TCP）。

• 应用场景：需要将现有的ModBus设备集成到不同的通信网络中，适用于简单设备集成的情况。

2. 多主机网关

• 用途：允许多个主机与一个ModBus设备进行通信，通过调度机制解决多个主机争用同一ModBus从设备的问题。

• 应用场景：在大型工业系统中，多个控制器或SCADA系统需要同时访问同一个ModBus设备。

3. 存储型网关

• 用途：不仅进行协议转换，还具有数据存储功能，可以记录和存储从ModBus设备采集的数据。

• 应用场景：需要长期数据存储以进行历史分析、设备诊断和趋势预测的场景，如工业自动化和能源管理。

4. 配置型网关

• 用途：具有用户可编程和配置的功能，用户可以根据需求定制网关的行为和通信参数。

• 应用场景：需要灵活配置的环境，如复杂系统集成和定制化应用场景。

5. 无线网关

• 用途：通过无线通信技术（Wi-Fi、LoRa、ZigBee、4G/5G）连接ModBus设备和控制系统，减少布线成本和增加安装灵活性。

• 应用场景：远程监控、分布广泛的工业设备监测和控制，如智慧城市和农业物联网。

6. 边缘计算网关

• 用途：在边缘设备端进行数据处理和分析，通过本地计算减少数据传输量和网络延迟，提高实时响应能力。

• 应用场景：实时监控和决策要求高的应用，如制造业车间监控和实时质量控制。

7. 安全型网关

• 用途：集成加密、认证、防火墙等安全功能，确保ModBus通信的完整性和保密性。

• 应用场景：对数据安全要求高的场景，如金融以及关键基础设施管理系统。

8. 工业级网关

• 用途：为工业环境设计，具备高耐用性、抗电磁干扰和宽温度范围等特点，确保在恶劣条件下稳定运行。

• 应用场景：严苛的工业和户外环境，如矿山、制造业和油气田。

9. 集成网关

• 用途：支持多种工业协议的转换，适应多种设备和系统之间的互联互通。

• 应用场景：多协议混合的工业系统，如自动化工厂和楼宇管理系统。

10. 云端网关

• 用途：能够连接云平台，将ModBus数据上传到云端进行存储和分析，便于远程访问和管理。

• 应用场景：需要大规模数据存储和高级数据分析的场景，如能源管理和远程设备监测。

11. 智能网关

• 用途：具有智能算法和逻辑判断能力，可以在本地进行自动控制和决策，减少对中央服务器的依赖。

• 应用场景：需要自适应控制和自动化决策的场景，如智能交通系统和自我优化生产线。

三

不同网关模式的区别

在此，我们将详细讲解并演示简单协议转换、多主机网关、存储型网关及配置型网关的通讯过程。演示过程中，我们将借助串口服务器进行辅助。将设备的网口和串口分别接入交换机和电脑，使串口接入电脑便于观察数据变化。同时，网口和电脑也需处于同一网络环境，以便观察数据变化。

相关环境

协议网关使用的是一款串口服务器设备，作为网关。串口（RS485）通过CH340接入电脑。电脑的口与串口设备处于同一网络环境下。串口设备具体的连接方法可以查看：

①简单协议转换

简单协议转换是指将ModBus RTU数据与ModBus TCP数据直接进行协议转换。首先，将串口服务器的ModBus工作模式修改为简单协议模式。随后使用软件分别接入串口和网口，并通过串口和网口分别发送数据。

可以看到，简单协议模式下，串口接收的RTU数据转换为TCP协议后，通过网口发送。

②多主机网关

多主机网关模式针对简单协议转换只能存在一个ModBus主站的局限，进行扩展。此模式下，当多个主机同时访问ModBus网关时，会进行总线占用管理，解决总线冲突问题。

我们使用调试软件的自动应答功能，模拟多个从机的情况：

模拟查询两个从机寄存器0x0000的数据。

随后使用网口软件模拟同时访问，使用批量发送数据，模拟同时访问从机1和从机2的数据。

先看看简单协议在同时访问多个主机时的情况，可以看到总线出现数据冲突。

接下来，将串口服务器工作模式修改为多主机模式，再次发送数据，查看网口收发情况。

可以看到，多主机模式下，串口服务器根据不同的主机，将包拆分为不同的指令发送，解决了简单模式下的总线占用冲突。

③存储型网关

存储型网关是对多主机模式的优化。当网口接收到查询指令后，能够将查询指令及应答数据在一定时间内保存。此期间内，网口侧的同样查询指令将直接从设备内存储的数据应答。

为了演示效果，将指令存储时间设置为60秒，轮询间隔时间设置为10000毫秒。

请注意：这仅为演示效果，实际使用中需注意数据的时效性。

与多主机模式一样，使用调试软件的自动应答功能模拟实际使用。

设置完成后，通过网口向串口服务器发送查询指令，可以看到，串口服务器会间隔一定时间自动进行轮询，并不需要网口再次发送查询指令。

多次发送相同的查询指令，串口服务器会直接应答，而不会再通过串口查询数据。

④配置型网关

配置型网关是存储型网关的另一种形式。串口根据配置的ModBus指令自动轮询设备寄存器，未配置指令和控制指令会直接操作RTU设备。串口的自动应答与存储型网关一致，模拟两个从机。为了直观观察，轮询间隔时间设置为10000毫秒，设置一条从机1的预配置指令，从机2的指令用于对比。

设置完成后，可以看到，串口开始自动轮询。

此时，用网口查询从机1的寄存器，可以看到查询指令直接由串口进行应答。

再查询从机2的寄存器，对比两个指令的差别。

查询从机2的指令是实时的，网口收到查询指令后，通过串口查询，查询到指令后再对网口的查询指令进行应答。而从机1的指令则由串口服务器将存储的数据直接应答。

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