Đơn giản hóa việc thiết lập giao thức truyền thông Modbus trong các Gateway với công nghệ định tuyến tự động của Mgate MB3000 series

Đơn giản hóa việc thiết lập giao thức truyền thông Modbus trong các Gateway với công nghệ định tuyến tự động của Mgate MB3000 series

Tóm tắt

Khi có nhiều thiết bị Modbus cần được giám sát và điều khiển, các kỹ sư thường phải dành nhiều thời gian để thiết lập cấu trúc mạng cho các thiết bị và phân đoạn mạng thành các nhóm nhỏ khác nhau. Hơn nữa, họ cũng phải cân đo các công việc thiết lập hàng trăm ID Modbus Slave để cài đặt bảng địa chỉ ID Modbus Slave cho các Gateway Modbus. Vì thế, các kỹ sư luôn tìm kiếm các giải pháp để đặt địa chỉ thiết bị khi cài đặt cho nhiều thiết bị Modbus. Bài viết này đề cập gần hơn các công nghệ khác nhau và các công nghệ trước và sau đó, cũng như công nghệ mới giúp tiết kiệm thời gian và chi phí khi thực hiện cấu hình và quản lý số lượng lớn các thiết bị Modbus.

Giới thiệu

Đối với nhiều ứng dụng, theo xu hướng IIoT-Industrial Internet of Things, phải trả nhiều tiền. Một xu thế có thể báo trước là sự chuyển đổi một lượng lớn các thiết bị có kết nối nối tiếp sang các mạng dựa trên nền Ethernet, cho phép các nhà quản lý nhà máy có thể tiếp cận các thiết bị cấp trường một cách đầy đủ, bằng các gỡ bỏ và thu thập các dữ liệu không được sử dụng trước đó. Tuy nhiên, việc thêm giá trị của các thiết bị kết nối serial sẽ đòi hỏi thêm chi phí cho thời gian và các nỗ lực, đặc biệt cùng với một mạng Modbus rộng lớn. Ví dụ, hãy xem xét sự phức tạp tự nhiên của kiểu mạng truyền thông trong tự động hóa tòa nhà với hàng trăm tới hàng nghìn các bộ điều khiển nhiệt độ truyền thông bằng giao thức Modbus RTU trên giao diện serial. Các bộ điều khiển nhiệt độ này cần được điều khiển và giám sát từ các phòng điều khiển, thông qua giao thức Modbus TCP. Ở đây chúng ta thấy có sự không tương thích về các giao thức xuất hiện. Giải pháp sử dụng thử-và-kiểm tra để đánh giá sự không tương thích các giao thức được sử dụng với các gateway Modbus để chuyển đổi giữa serial và Ethernet cung như giữa Modbus RTU và Modbus TCP. Tuy nhiện, các kỹ sư vẫn phải cấu hình cho nhiều gateway cần được lắp đặt và số lượng cổng nối tiếp (serial) của từng gateway. Do đó, lập kế hoạch về cấu trúc mạng sẽ giải quyết số lượng lớn các thiết bị Modbus để có được sự kết nối toàn diên có thể là một sự thử thách thực sự cho các kỹ sư.

Khó khăn thực sự

Đối với các kỹ sư, việc sử dụng quá nhiều thời gian và công sức để xây dựng cấu trúc mạng truyền thông Modbus làm giảm hiệu suất lao động. Ví dụ, các kỹ sư mất nhiều thời gian cho việc thiết lập các tham số cho các thiết bị tớ (Slave) với các bảng định danh ID, bảng thiết kế này liệt kê các kết nối của các thiết bị Modbus (định danh thiết bị Modbus slave) để xác định các cổng nối tiếp cụ thể trên một thiết bị gateway. Điều này có thể gây ra sự thất vọng lớn hơn cho các kỹ sư, vì các cấu hình có thể không phù hợp với kế hoạch tại hiện trường. Các lỗi kết nối tại các hiện trường có thể chuẩn bị một cách kỹ càng ở văn phòng với một khoảng thời gian ngắn; vì vậy, việc phải đưa các kỹ sư về để vẽ lại và làm tăng gấp đôi công sức của họ. Việc xây dựng một cách tổng thể cấu trúc mạng Modbus giúp loại bỏ các sai lỗi trong kết nối khi thực hiện một số lượng lớn các yêu cầu của giao thức Modbus đối với các thiết bị nối tiếp (serial) khi kết nối tới Gateway Modbus. Và cuộc sống cũng sẽ trở nên dễ dàng hơn cho các kỹ sư, khi họ không phải lo lắng khi xem xét thiết bị nối tiếp nào đã được kết nối với cổng nối tiếp nào của Gateway Modbus. Trong hoàn cảnh lý thưởng, các kỹ sử sẽ có thể chỉ cần gửi các yêu cầu tới Gateway Modbus, và một lát sau sẽ tự động tìm thấy đúng cổng nối tiếp kết nối tới thiết bị cần tìm. Điều này giúp giải quyết khó khăn, thậm chí ngay khi bổ sung thêm thiết bị Modbus mới vào hệ thống, hoặc kết nối với các thiết bị hiện hữu theo các cổng nối tiếp khác.

Các thách thức chính

Thời gian đáp ứng của các thiết bị có cổng nối tiếp thường lâu hơn so với các thiết bị hoạt động trên nền tảng Ethernet. Thời gian đáp ứng của chúng chậm thậm chí chậm hơn so với việc kết nối tới một Gateway theo cấu trúc daisy-chain (chuỗi), theo chuỗi yêu cầu-đáp ứng bình thường của giao thức Modbus thì thời gian thu nhận tín hiệu sẽ lâu hơn. Trong các kiểu cài đặt, một gateway Modbus có một cổng, sẽ có hiệu quả tốt hơn, bởi hệ thống SCADA chỉ truyền thông độc lập với mỗi gateway; vì thế mà khoảng thời gian truyền thông sẽ ngắn hơn so với trường hợp có nhiều thiết bị Gateway Modbus với hệ thống SCADA. Tuy nhiên, việc quản lý nhiều gateway Modbus lại rất phức tạp. Vì thế, các gateway nhiều cổng được sử dụng quản lý số lượng lớn các thiết bị Modbus. Ví dụ, một Gateway Modbus 16 cổng có thể thay thế 16 Gateway Modbus một cổng. Với các ứng dụng có không gian lắp đặt giới hạn, thì trường hợp này sẽ taojnhieeuf không gian vật lý và chỉ yêu cầu một cáp nguồn và một cáp Ethernet. Hơn nữa, sẽ cần nhiều địa chỉ IP cho 16 thiết bị Gateway Modbus, trong khi chỉ cần một địa chỉ IP. Đối với các hệ thống SCADA, một lợi ích khác đó là chi phí kết nối thâp hơn nếu chi phí tính theo số lượng kết nối sử dụng. Tuy nhiên, với các gateway nhiều cổng không đơn gian nếu phải giám sát các thiết bị Modbus. Các kỹ sư đầu tiên cần phân tách các nhóm thiết bị thành từng nhóm và sau đó kết nối chúng vào các cổng xác định của Gateway. Đây là lý do tại sao cần thiết lập bảng ID cho các Modbus Slave theo các cổng nối tiếp của Gateway là quan trọng, nhưng việc tạo bảng này sẽ giúp mang lại hiệu quả cao về về thời gian thiết kế.

Phân phối số lượng lớn các yêu cầu Modbus

Không giống như các switch Ethernet, hướng phân phối yêu cầu được thực hiện tự động thông qua bảng ARP, kỹ thuật định hướng của các gateway Modbus nhiều cổng phức tạp hơn nhiều. Hiện nay, có hai kỹ thuật định hướng địa chỉ khác nhau trong các mạng truyền thông Modbus.

Định hướng theo địa chỉ IP hoặc cổng TCP

Một số Gateway Modbus thực hiện chức năng ánh xạ cổng nối tiếp thông qua một địa chỉ IP hoặc cổng TCP. Kỹ thuật này phù hợp với các kỹ sư muốn giám sát các thiết bị cấp trường theo từng khu vực. Toàn bộ các thiết bị Modbus Slave (tớ) được kết nối vào cùng một cổng nối tiếp theo kiểu daisy-chain  sử dụng một địa chỉ IP hoặc một cổng TCP xác định. Có nghĩa, mỗi cổng nối tiếp trên Gateway tương ứng với duy nhất một địa chỉ IP hoặc một cổng TCP. Với một Gateway có nhiều cổng có thể được sử dụng thay thế cho số lượng nhiều Gateway chỉ có ít cổng. Như đề cập ở trước, khi đó sẽ giảm được số lượng cáp kết nối. Ngược lai, các kỹ sư sẽ phải cấu hình thủ công cho các địa chỉ IP và kết nối TCP theo số lượng cổng nối tiếp trên thiết bị Gateway. Trong các môi trường có lượng lớn thiết bị Modbus, các hệ thống thường có nhiều Gateway nhiều cổng, giúp việc cấu hình hiệu quả hơn, giảm chi phí kết nối liên quan. Một số cấu hình cần được thực hiện bởi bản than các Gateway Modbus. Ví dụ, tương ứng với chức năng của hệ thống SCADA, cổng nối tiếp 1 của Gateway (như trong hình minh họa bên dưới) sẽ thiết gán địa chỉ IP 192.168.1.1, cổng nối tiếp số 2 có IP 192.168.1.2, và tương tự cho cổng khác. Nếu theo cổng TCP, theo cách tương tự: gán cổng nối tiếp 1 với cổng TCP 2001, cổng nối tiếp 2 với cổng TCP 2001… Nói cách khác, một thiết bị gateway cần hỗ trợ cho nhiều kết nối. Nếu có 16 cổng nối tiếp trên một gateway, thì gateway phải hỗ trợ đồng thời 16 kết nối TCP. Ánh xạ cổng nối tiếp theo địa chỉ IP hoặc các cổng TCP cần được thực hiện bằng tay bởi kỹ sư, điều này yêu cầu kỹ sư phải xác định cổng nối tiếp tương ứng với thiết bị được kết nối tới cổng đó và tương ứng với địa chỉ IP hoặc cổng TCP.

Sử dụng bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus của Gateway để định hướng

Các kỹ sư chịu trách nhiệm về chi phí kết nối và không cần giám sát các thiết bị theo các phân đoạn mạng, một tùy chọn phổ biến là sử dụng bảng định tuyến địa chỉ Modbus Slave ID. Mục đính chính của bảng định tuyến này là chỉ ra thiết bị Modbus nào được kết nối tới cổng nối tiếp nào trên Gateway. Khi Gateway nhận được yêu cầu đối với thiết bị Modbus xác định, nó sẽ phân phối yêu cầu này theo bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave tham chiếu tới cổng nối tiếp có kết nối tới thiết bị Modbus. Hệ thống SCADA sử dụng một địa chỉ IP hoặc một cổng TCP để truyền thông với tất cả các thiết bị Modbus kết nối tới gateway, điều này dễ cho việc quản lý các thiết bị Modbus và giảm được các chi phí về kết nối.

Bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave cần duy trì để có thể xử lý sự cố và bảo trì; tuy nhiên, việc tạo và quản lý bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave tốn công sức. Hơn nữa, nó cũng tạo ra căng thẳng cho các kỹ sư khi làm việc lần đầu với các Gateway Modbus, nó cũng giống như họ phải leo lên một đỉnh núi mà họ hoàn toàn không quen với các thiết lập thông số của bảng định tuyến. Họ phải sắp xếp các địa chỉ ID Modbus Slave theo các nhóm, sau đó kết nối mỗi nhóm tới các cổng nối tiếp khác nhau. Ví dụ, ID số 1 tới 5 nối tới cổng nối tiếp số 1, ID só 6 tới 10 nối tới cổng nối tiếp số 2,.v.v. Theo phương pháp này, họ sẽ phải thiết lập 16 lần qui tắc định tuyến cho 16 cổng của một thiết bị Gateway. Tình huống này trở nên mệt mỏi hơn, khi cổng số 1 nối tới các ID 1, ID 6 và ID 11, và cổng số 2 nối tới ID 2, ID 7, ID 12, .v.v. Các kỹ sư sẽ phải thiết lập lại các qui tắc định tuyến với số lần tương ứng với số lượng địa chỉ Modbus Slave. Và nó cũng không dễ dàng gì nếu các kỹ sư phải reset (thiết lập lại cấu hình) bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave trong trường hợp bổ sung thêm các thiết bị Modbus mới vào hệ thống.

Chỉ cần một nhấp chuột

Một công nghệ mới tự động tìm kiếm các yêu cầu Modbus từ hệ thống SCADA và thiết lập bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave sẽ hỗ trợ cho các sư. Chức năng định tuyến thiết bị tự động chỉ yêu cầu một cú click chuột để giúp cho gateway tìm kiếm cổng nối tiếp được kết nối với thiết bị Modbus nào, cho phép tự động phân phối yêu cầu Modbus tới đúng cổng nối tiếp Nó cũng tự động tạo ra bảng định tuyến, tiết kiệm thời gian và chi phí, và các kỹ sư không cần tạo thủ công bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave, loại trừ được các sai lỗi trong quá trình thực hiện bởi con người. Hơn thế, nó còn lạo bỏ các công sức khi kiểm tra lại đối với các kết nối thực tế ở các công trường. Khong cần phải tham khảo các bảng định tuyến địa chỉ ID Modbus Slave cũ khi thêm hay loại bỏ các thiết bị Modbus, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.

Kết luận

Với việc tạo bảng định tuyến tự động, công nghệ định tuyến thiết bị tự đông đã khiến cho công việc thiết lập bảng định tuyến địa chỉ Modbus Slave khi cấu hình và bảo trì trở thành quá khứ (lỗi thời). Các đặc trưng này có trong dòng sản phẩm MGate MB3000, bao gồm các loại 2,4,8 hay 16 cổng. Thiết bị MGate MB3000 hỗ trợ định tuyến theo cả địa chỉ IP và cổng TCP.

Đơn giản hóa việc thiết lập giao thức truyền thông Modbus trong các Gateway với công nghệ định tuyến tự động của Mgate MB3000 series