Lời nói đầu

Moxa là một hãng hàng đầu trong việc cung cấp thiết bị kết nối hơn 20 năm qua, Moxa cung cấp nhiều lựa chọn đối với sản phẩm kết nối thiết bị công nghiệp và được sử dụng phổ biến trong ứng dụng công nghiệp trên toàn thế giới. Với sự phát triển nhanh chóng của Internet of Things trong công nghiệp (IIoT-Industrial Internet of Things), các thiết bị chuyển đổi NPort serial to Ethernet là một trong những bước đầu tiên và cần thiết để cho phép tạo kết nối IP cho tất cả các thiết bị. Nhiều người đã nhận thức được rằng, thiết bị máy chủ Nport serial cung cấp nhiều chế độ hoạt động để giúp các loại thiết bị khác nhau có thể kết nối trên mạng. Ngoài ra trong mỗi chế độ hoạt động, NPort cũng được trang bị các chức năng tiên tiến khác nhau để hỗ trợ người dùng trong việc tinh giản các hoạt động và tối đa hóa lợi ích của việc kết nối serial-to-Ethernet.

Trong phần giới thiệu dưới đây sẽ đề cập tới cách sử dụng thiết bị liên quan tới bốn chế độ hoạt động NPort phổ biến nhất hiện nay cho người dùng giải pháp Serial-to-Ethernet và những người sử dụng mới đang tìm kiếm thêm khả năng kết nối mạng với các thiết bị tại chỗ để chuẩn bị cho thời đại IoT công nghiệp. Trong đó, vòng quay Nport sẽ minh họa về bốn chế độ hoạt động thông dụng nhất của Nport đang được dùng trong các ứng dụng thực tế của cuộc sống, và làm thế nào phù hợp với chức năng hiện đại, với các hoạt động chế độ có thể hỗ trợ tốt hơn cho người dùng trong việc đạt được mục tiêu của họ.

Phần lõi của vòng xoay này, ba chế độ dữ liệu khác nhau mô tả trường hợp có thể sử dụng trong các ứng dụng. Các trường hợp tương ứng với chế độ hoạt động phù hợp với chức năng tiên tiến nhằm giúp người dùng tìm thấy một cách tốt hơn để đạt được mục tiêu của họ. Cuối cùng, cung cấp các ví dụ về cách thức tổ hợp giúp người dùng NPort trong các ứng dụng thực tế cuộc sống.

Chúng ta cần các giải pháp chuyển đổi serial-to-Ethernet để giúp các thiết bị nối tiếp tận dụng tất cả những lợi ích của một mạng Ethernet. Những lợi ích này bao gồm khả năng để tập trung hoạt động kinh doanh, khả năng giao tiếp với khoảng cách dài, cũng như kéo dài vòng đời sử dụng của các thiết bị có kết nối nối tiếp. Tuy nhiên, thực tế rất nhiều người tìm giải pháp chuyển đổi mạng nối tiếp sang Ethernet, và điều này đặt ra thách thức hơn nhiều dự kiến ban đầu.

Trường hợp 1: Giám sát và điều khiển cấp trường (H ←→ D)

Những thách thức

• Người dùng muốn điều khiển từ xa và giám sát các thiết bị nối tiếp (ví dụ máy CNC) thông qua Ethernet.
• Người dùng thiếu ngân sách hoặc nguồn lực để tái phát triển các phần mềm ứng dụng thông qua các giao thức mạng mới; trong khi mọi thứ được xây dựng cho các ứng dụng nối tiếp.
• Người sử dụng cần đảm bảo thông tin liên lạc mạng được kết nối.
• Người dùng không muốn chất lượng đọc/ghi bị ảnh hưởng bởi giải pháp serial-to-Ethernet

Nport hỗ trợ như thế nào? – Chế độ Real COM

Trong các ứng dụng công nghiệp, các thiết bị cấp trường thường chỉ làm việc với phần mềm tương ứng và hoạt động trên một hệ điều hành lỗi thời, chẳng hạn như Windows CE. Vấn đề đặt ra là nếu người dùng không đủ ngân sách hoặc nguồn lực để viết lại các phần mềm ứng dụng với giải pháp serial-to-Ethernet mới này? Giải pháp là chế độ Real COM. Thiết bị máy chủ Moxa NPort xuất hiện với driver “Real COM”, và sẽ tạo ra một cổng COM ảo trên máy tính chủ để ánh xạ các cổng IP trên mạng và cho phép các thiết bị nối tiếp từ xa có thể giao tiếp với các máy chủ như trường hợp thiết bị được kết nối bằng dây cáp nối tiếp mà không phải sửa đổi bất kỳ phần mềm ứng dụng nối tiếp nào.

Tuy nhiên, truyền thông nối tiếp và Ethernet vẫn là hai phương pháp riêng biệt của truyền dữ liệu, do đó có thể có những lo ngại về sự ổn định của mạng TCP/IP và chất lượng đọc/ghi khi chuyển đổi từ nối tiếp sang các mạng Ethernet. Đó là lý do tại sao các trình điều khiển COM thực cung cấp một tập hợp phong phú các chức năng tiên tiến để đảm bảo rằng các cổng COM ảo thực hiện giống như một cổng COM thực.

Khi kết nối TCP kém (hoặc mất kết nối), tức là khi các NPort không đáp ứng với nền “kiểm tra hoạt động” gói tin, trình điều khiển Real COM sẽ liên tục tìm cách để thiết lập lại kết nối TCP nếu người dùng cho phép chức năng tự động mạng kết nối lại. Các phần mềm của người dùng không cần phải đóng cổng và mở lại. Trong hầu hết các trường hợp, các ứng dụng người dùng không thể đủ khả năng do thời gian trễ dài. Để đạt được hiệu suất hoạt động tương tự như một cổng COM tích hợp (nội tại), trình điều khiển Real COM cung cấp Tx Mode và Fast Flush để nâng cao khả năng thực thi dữ liệu. Có hai tùy chọn trong chế độ Tx : Hi-Performance và Classical. Trong chế độ Hi-Performance, trình điều khiển Nport sẽ thông báo cho các chương trình ứng dụng thông tin phản hồi rằng dữ liệu đã được gửi đi từ trình điều khiển. Nó hoạt động một cách nhanh chóng hơn và thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và công suất tốt hơn.

Fast Flush là một chức năng tiện ích khác được xây dựng trong trình điều khiển Real COM, chức năng PurgeComm  (IOCTL_SERIAL_PURGE)  trực tiếp tràn ra bộ đệm nội bộ  hơn là truy vấn Nport firmware liên tục. Nếu tắt chức năng này, sẽ mất nhiều thời gian (vài trăm mili giây)  so với cổng COM nội tại (tích hợp sẵn).

Chia sẻ ứng dụng: truyền thông CNC/DNC

Trường hợp 2: Giám sát điều khiển cấp trường (H←→D)

Những thách thức

Chương trình ứng dụng của người sử dụng có một giới hạn thời gian chờ cụ thể để nhận và xử lý dữ liệu. Nếu các thiết bị nối tiếp không thể trả lời yêu cầu từ các ứng dụng trong khoảng thời gian nhất định, ứng dụng sẽ liên tục gửi các yêu cầu và nó sẽ không hiệu quả đối với tổng thể  truyền thông.

Nport có thể hỗ trợ như thế nào?  – Chế độ Real COM – đóng gói dữ liệu

Chế độ Real COM (cổng COM thực), hoặc trong thực tế, tất cả các chế độ hoạt động của NPort đều hỗ trợ chức năng Data Packing (đóng gói dữ liệu). Gói dữ liệu có thể được sử dụng để tùy chỉnh kích thước gói dữ liệu nối tiếp cho việc truyền thông bằng cách đóng gói các dữ liệu theo chiều dài gói tin hoặc theo một yêu cầu đặc biệt hoặc dấu phân cách trong tiêu đề hoặc giới thiệu của gói tin. Nếu chiều dài gói tin là không rõ, hoặc bạn vẫn muốn gửi các gói dữ liệu không đầy đủ, chức năng Transmit cho phép bạn định sẵn một khoảng thời gian tối đa để chờ đợi tệp dữ liệu hoàn chỉnh.

Các ứng dụng cho các xe tự hành (Automated Guided Vehicles-AGV), được sử dụng trong sản xuất cơ sở hoặc nhà kho để thực thi tự động việc nâng hạ sẽ giúptăng hiệu quả và giảm chi phí lao động. Một trong phương pháp để hướng dẫn AGVs là sử dụng băng từ  để dẫn đường, AGV sẽ thực thi với các cảm biến hướng dẫn tích hợp (ví dụ, RFID). Các phần mềm ứng dụng sẽ liên tục gửi một yêu cầu về vị trí để AGV để xác minh vị trí hiện tại của nó mỗi 50 ms cho đến khi nhận được phản hồi, sau đó cung cấp lệnh thực thi khi vị trí được xác định.

Để chắc chắn rằng phản hồi vị trí sẽ được gửi trở lại trong khoảng thời gian thích hợp để ngăn chặn yêu cầu lặp đi lặp lại được gửi nhiều lần, có một loại chức năng Data Packing có thể được sử dụng đó là Force Transmit.

Force Transmit, được xác định bằng cách sử dụng Interval Timeout (khoảng thời gian hiệu lực) giữa các hoạt động, buộc firmware của NPort để đóng gói dữ liệu nối tiếp vào khung dữ liệu giống nhau trong suốt thời gian quy định. Các NPort sẽ chuyển dữ liệu được lưu trữ trong bộ đệm thông qua giao thức TCP/IP nếu: 1) bộ đệm bên trong bị đầy hoặc 2) khoảng liên ký tự hết thời gian hiệu lực.

Chia sẻ ứng dụng: xe tự hành

Trường hợp 3: Giám sát điều khiển hiện trường (H ←→ D)

Những thách thức

• Nhiều máy chủ phải có khả năng gửi các yêu cầu đến các thiết bị trường để thu nhận dữ liệu hiện trường và còn tránh được những xung đột dữ liệu nếu có nhiều yêu cầu được gửi cùng một lúc.
• Đối với giám sát và kiểm soát các ứng dụng lĩnh vực mà tại các thiết bị cấp trường thường ở vị trí xa, người dùng thường phải có mặt tại hiện trường để khởi động lại thiết bị nếu có vấn đề về mạng xảy ra vào máy chủ đầu cuối.

Nport có thể hỗ trợ như thế nào? – Chế độ TCP

Trong nhiều ứng dụng công nghiệp ngày nay, chẳng hạn như các mỏ dầu và khí đốt, các khái niệm về giám sát thời gian thực đã được áp dụng rộng rãi. Những lợi ích này mang lại bao gồm cải thiện hiệu quả sản xuất (hiệu suất và chi phí), cũng như giảm đáng kể thời gian ngừng hoạt động.

Các yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến năng suất trong quá trình sản xuất dầu và khí đốt, cũng như sự an toàn của lĩnh vực hoạt động, liên quan đến việc quản lý thích hợp và giám sát tốc độ dòng chảy, áp suất, nhiệt độ,… chế độ TCP server của NPort thường được sử dụng trong giám sát thực địa và kiểm soát các ứng dụng như vậy để kết nối với các cảm biến lĩnh vực, chẳng hạn như đồng hồ đo áp suất, đo lưu lượng, và các loại khác thiết bị khác.
Các máy chạy chương trình TCP-client khởi tạo lên hệ với NPort, thiết lập kết nối, và nhận dữ liệu từ các thiết bị nối tiếp. Chế độ máy chủ TCP cũng hỗ trợ lên đến tám kết nối đồng thời (series NPort 5000 hỗ trợ lên đến bốn máychủ trong khi loạt NPort 6000 hỗ trợ lên đến tám), cho phép nhiều máy chủ để thu thập dữ liệu từ các thiết bị nối tiếp nhau cùng một lúc. Khi chế độ Max. Connection được thiết lập, chế độ Command by Command  được khuyến nghị dùng để ngăn chặn xung đột dữ liệu nếu các máy chủ khác nhau được phép gửi các yêu cầu tới thiết bị ở xa tại cùng một thời gian.

Nếu chế độ Command by Command được bật và NPort nhận được lệnh từ bất kỳ máy chủ trên Ethernet, các NPort sẽ lưu trữ các lệnh trong bộ đệm của nó. Các lệnh sẽ được gửi đến các cổng nối tiếp trên cơ sở FIFO (vào trước ra trước). Một khi thiết bị đáp ứng, thiết bị NPort sẽ lưu lại đáp ứng trong bộ đệm, giả định rằng các đáp ứng là đúng, và sau đó gửi các đáp ứng trở lại bộ tạo lệnh.
Một vấn đề đặt ra khi máy chủ đang hoạt động trong một vai trò tích cực (chủ động) thiết lập một kết nối TCP (nơi NPort là hành động như một máy chủ TCP thụ động chờ đợi cho máy khách kết nối) thì NPort không có cách nào để kết thúc, khi mạng đã bị xung đột và sẽ nghĩ rằng kết nối vẫn còn đó. Ngay cả khi kết nối mạng trở lại thì máy khách cũng sẽ không thể để tái lập một kết nối với các thiết bị bởi vì các nguồn tài nguyên đã bị chiếm đóng. Do đó, người dùng sẽ cần phải gửi ai đó đến hiện trường  để khởi động lại NPort và giải phóng các tài nguyên. Điều này cực kỳ không hiệu quả cả về chi phí nhân lực và thời gian. Chế độ máy chủ TCP bao gồm một chức năng gọi là TCP Alive Check Timeout (khoảng thời gian kiểm tra tồn tại TCP). Sử dụng chức năng này cung cấp cho các Nport cơ chế an toàn nếu mạng bị ngắt kết nối hoặc máy tính từ xa ở chế độ bình thường. Nói cách khác, chức năng này cung cấp tình trạng kết nối Ethernet bằng cách kiểm tra tình trạng kết nối TCP / IP theo định kỳ.

Ứng dụng chia sẻ: Giám sát giếng khoan dầu

Trường hợp 4: Chủ động thu thập dữ liệu (H ← D)

Những thách thức

• Triển khai lắp đặt các thiết bị nối tiếp trong một môi trường mới mà đã có hệ thống dây Ethernet.
• Ngăn chặn các máy chủ từ khi nhận được một gói hoặc gói tin có chứa phần dữ liệu nối tiếp, hoặc thông tin truy cập không thể được công nhận (ví dụ, các ứng dụng chương trình nhận diện dấu “#” là sự kết thúc của dòng dữ liệu).
• Người dùng muốn giới hạn số lượng kết nối TCP đến máy chủ để giải phóng các nguồn lực cho các mục đích khác.
• Người dùng muốn thiết lập máy chủ dự phòng để truy cập thông tin từ thiết bị nối tiếp.

Nport có thể trợ giúp như thế nào? – Chế độ TCP Client

Chế độ TCP Client của NPort thường được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát truy cập để kết nối với đầu đọc thẻ nối tiếp, đầu đọc dấu vân tay, và các thiết bị khác. Trong trường hợp này, dữ liệu chủ động được gửi lại cho các chương trình ứng dụng máy chủ để xử lý tiếp. Một vấn đề với vận chuyển dữ liệu nối tiếp qua mạng TCP/IP là khả năng của dữ liệu được chia thành các gói Ethernet riêng biệt mà có thể gây ra các chương trình ứng dụng bị lỗi. Như đã đề cập trước đó, chức năng Data Packing của NPort đảm bảo rằng các dữ liệu nối tiếp đến trong một gói tin hoàn chỉnh và được công nhận để các ứng dụng có thể tiếp nhận và xử lý yêu cầu đúng. Chúng tôi đã giới thiệu Force Transmit là một trong những lựa chọn Data Packing, nhưng Delimiter cũng có thể hỗ trợ người sử dụng trong trường hợp này. Khi các chương trình ứng dụng công nhận một đối tượng cụ thể là sự kết thúc của một dòng dữ liệu, khi chức năng Delimiter được sử dụng, NPort sẽ ngay lập tức đóng gói và gửi tất cả các dữ liệu trong bộ đệm cho Ethernet khi một đối tượng cụ thể nhận được thông qua cổng nối tiếp của nó.
Khi NPort được cấu hình trong chế độ Client TCP, nó có thể quyết định khi thành lập hoặc ngắt kết nối một kết nối TCP với máy chủ bằng cách cho phép các chức năng Connection Control. Những lợi ích của chức năng này là nó cho phép người sử dụng hạn chế số lượng kết nối TCP cho những người cần và tăng hiệu quả máy chủ lưu trữ bằng cách tự động ngắt kết nối không sử dụng. Rất nhiều sự kiện khác nhau có thể được xác định để thiết lập hoặc ngắt kết nối TCP mà phổ biến là Any Character/Inactivity Timeout. Trong trường hợp này, bất cứ khi nào có hoạt động dữ liệu nối tiếp, các NPort được kích hoạt để thiết lập một kết nối TCP với máy chủ. Và khi kết thúc nối tiếp không dùng đến trong một thời gian quy định, các NPort sẽ ngắt kết nối TCP đến khi hoạt động dữ liệu nối tiếp được nối lại.

Cuối cùng, chế độ Client TCP cũng hỗ trợ nhiều máy chủ kết nối lên đến bốn kết nối trên NPort 5000 và lên đến tám trên loạt NPort 6000.

Ứng dụng chia sẻ 1: Hệ thống điều khiển truy cập

Ứng dụng chia sẻ 2: MRI dự đoán bảo trì

Các ứng dụng được hiển thị trong phần này sử dụng phương thức hoạt động tương tự và chức năng tiên tiến để đạt được các yêu cầu ứng dụng. Mục đích chính của dự đoán bảo trì là để giúp đỡ xác định tình trạng hoạt động của thiết bị tại chỗ để dự đoán khi các dịch vụ thiết bị cung cấp thực hiện công việc bảo trì. Khái niệm này được giới thiệu để cho phép giám sát từ xa đối với thiết bị dịch vụ, chẳng hạn như máy MRI hoặc thang máy, để ngăn chặn lỗi bất ngờ làm tăng chi phí hoạt động hoặc thậm chí vấn đề an toàn.

Trong ứng dụng hiển thị ở đây, các NPort cho phép MRI theo dõi không chỉ tại chỗ mà còn từ xa nơi mà các dữ liệu sử dụng có thể được ghi lại để phòng ngừa thời gian chết. Khi máy quét MRI hoạt động, hướng dẫn sử dụng thiết bị cụ thể sẽ được gửi bởi NPort với dịch vụ nhà cung cấp để có thể lên lịch bảo dưỡng định kỳ dựa trên dữ liệu sử dụng. Không chỉ có các dữ liệu sử dụng của MRI được truyền lại cho hệ thống giám sát nhà cung cấp dịch vụ, mà có thể được truyền đến máy chủ lưu trữ cho

người quản lý.

Trường hợp 5: Data Broadcast (H → D)

Những thách thức

• Các bản dữ liệu được gửi từ một máy tới các vị trí theo thời gian thực.
• Có khả năng xác định các nhóm thiết bị để nhận được bộ khác nhau của thông điệp

Nport có thể hỗ trợ như thế nào? – Chế độ UDP

Nếu các ứng dụng đòi hỏi phải truyền dữ liệu thời gian thực và các chương trình sử dụng giao thức UDP, bạn có thể thiết lập các NPort sang chế độ UDP. Sự khác biệt lớn giữa chế độ UDP và TCP Server/Client là với chế độ UDP, một kết nối không cần phải được thiết lập trước khi truyền dữ liệu. Chế độ UDP có thể gửi dữ liệu nhanh hơn so với TCP Server/Client vì thời gian cần thiết cho TCP bắt tay ba bước được loại bỏ. Chế độ UDP là thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phải truyền tải thời gian thực, nhưng có thể gây mất mát dữ liệu.

Một số ứng dụng, chẳng hạn như các hệ thống thông tin hành khách trên sân ga xe lửa, cần phải phát sóng kiểu broadcast (hoặc multicast) các tin nhắn cùng một tập hợp các đèn LED hiển thị để hiển thị các điểm đến thông tin hoặc xe lửa lịch. Trong chế độ UDP, một địa chỉ IP multicast có thể được thiết lập cho mỗi cổng nối tiếp, và tất cả các thiết bị mà “đăng ký” để địa chỉ IP multicast cùng sẽ nhận được thông báo được gán cho địa chỉ IP. Lợi ích của multicast là nó không chỉ hiệu quả gửi tin nhắn cho nhiều điểm đến, mà còn tiết kiệm băng thông vì cùng một dữ liệu không được truyền tới các điểm đến khác nhau nhiều lần.

Ứng dụng chia sẻ: Hệ thống thông tin hành khách