Буферные режимы Modbus ETH/RTU в шлюзе M72E1ETH: технология соединения двух Master-сетей в промышленной автоматизации

Введение: проблема интеграции разнородных Modbus-сетей

Традиционные преобразователи Modbus TCP/RTU функционируют по принципу "Master-Slave", где шлюз выступает в роли Slave для одной сети и Master для другой. Эта архитектура эффективна для большинства стандартных применений, но сталкивается с принципиальными ограничениями при необходимости соединения двух сетей, в каждой из которых уже существует активное Master-устройство.

Типичные сценарии, требующие решения этой проблемы:

• Интеграция существующей локальной системы управления (RTU Master) с централизованной SCADA-системой (TCP/IP Master)
• Создание резервированных систем с двумя независимыми контроллерами
• Организация обмена данными между облачными платформами и локальными ПЛК
• Построение распределённых систем сбора данных с несколькими точками управления

Архитектурное решение: концепция автоматического буферирования переменных

Шлюз M72E1ETH предлагает элегантное решение через реализацию двух симметричных буферных режимов:

1) Modbus ETH буфер

В этом режиме шлюз выполняет роль:

• Slave-устройства для сети Modbus TCP/IP;
• Slave-устройства для сети Modbus RTU;
• Автоматического менеджера переменных которые автоматически создаются в буфере по командам чтения или записи со стороны Modbus TCP/IP.

Принцип работы: При первом обращении со стороны TCP/IP Master (запрос чтения или записи) шлюз автоматически создаёт соответствующую переменную в своём буфере. Созданная переменная становится доступной для операций чтения и записи со стороны RTU Master. Ключевое ограничение: создание переменных возможно только со стороны TCP/IP, что определяет направление инициализации системы.

2. Modbus RTU буфер

Симметричный режим с обратной логикой:

• Создание переменных в буфере инициируется только со стороны Modbus RTU Master;
• Доступ к созданным переменным на чтение и запись предоставляется для TCP/IP Master;
• Шлюз остаётся Slave-устройством для обеих сетей.

Техническая реализация

Динамическое управление памятью. Шлюз реализует интеллектуальную систему динамического выделения памяти под переменные, которая:

• Автоматически определяет тип и размер запрашиваемых данных;
• Оптимизирует использование ресурсов под различные типы Modbus-регистров (coils, discrete inputs, holding registers, input registers);
• Обеспечивает сохранение значений при временных разрывах связи;
• Принимает команды на запись новых значений в регистры Coils и Holding Registers.

Механизм синхронизации

Для обеспечения консистентности данных реализован двухуровневый механизм синхронизации:

• Операции записи — блокировка переменной на время обновления;
• Версионирование данных — отслеживание последних изменений с каждой стороны;
• Контроль целостности — проверка соответствия типов данных при попеременном доступ.

Практические применения в промышленных системах

Сценарий 1: Многоуровневая система мониторинга

[Система диспетчеризации] ←TCP/IP→ [ШЛЮЗ M72E1ETH] ←RS485→ [Локальный контроллер] ←RS485→ [Датчики или другие ПЛК].

Центральный контроллер (Master) у которого только один порт RS485 собирает данные:

• с удалённых датчиков по RS485;
• с удалённых модулей ввода/вывода;
• с других ПЛК;

Далее он их обрабатывает и помещает их в буфер шлюза M72E1ETH, который подключается с его порту RS485 как Slave устройство. Система диспетчеризации или Облачная платформа (Master) читает эти данные без вмешательства в работу локальной сети. Вам не требуется контроллер с двумя портами RS485 и наличием TCP/IP.

Сценарий 2: Система управления с получением данных из системы диспетчеризации

[Система диспетчеризации] ←TCP/IP→ [ШЛЮЗ M72E1ETH] ←RS485→ [Локальный контроллер]

Локальный контроллер (Master), без порта TCP/IP и одним портом RS485, который уже занят (например панелью оператора) управляет местной автоматикой, например вентиляцией. В здании большое кол-во таких вентиляционных систем и каждая должна понимать какая температура на улице. На все здание стоит одна погодная станция данные с которой считывает система диспетчеризации. Далее система диспетчеризации может передать данные по TCP/IP о погодных условиях в шлюзы M72E1ETH, каждый их которых подключен к контроллеру по RS485 как модуль расширения (Slave устройство). Контроллер может обратиться к регистрам в шлюзе и узнать данные о погоде или иную информацию от системы диспетчеризации.

Сценарий 3: Локальная система управления с интеграцией в глобальную систему диспетчеризации

[Глобальная система диспетчеризации] ←TCP/IP→ [ШЛЮЗ M72E1ETH] ←RS485→ [локальная HMI панель управления или локальная диспетчеризация ]

В одном из корпусов здания существует локальная система диспетчеризации (управления), по неизвестным нам причинам например нет возможности получить доступ к сетевым переменным этой диспетчеризации напрямую, но есть возможность запрограммировать в ней запись данных в некое slave устройство. В этом случае ШЛЮЗ M72E1ETH подключается на общую линию RS485 локальной системы диспетчеризации и она отправляет в него данные. Глобальная система диспетчеризации по сети TCP/IP считывает данные из шлюза M72E1ETH.

Преимущества перед традиционными решениями

• Архитектурная гибкость;
• Отсутствие необходимости переконфигурации существующих систем;
• Поддержка постепенной модернизации оборудования;
• Возможность создания сложных сетевых топологий без удорожания.

Операционная надёжность

• Дежурный таймер (watchdog): автоматическая перезагрузка при зависаниях;
• Защита соединений: автоматическое закрытие сокетов при сетевых сбоях
• Гальваническая развязка 1 кВ: защита от помех и перенапряжений

Рекомендации по проектированию сетей

• Планирование адресации: заранее определить диапазоны переменных для каждой стороны;
• Качество линий связи: использовать рекомендованные кабели (витая пара CAT5E для Ethernet, экранированный кабель для RS485)
• Терминирование: активировать терминальные резисторы 120 Ом на концах линии RS485
• Защита питания: использовать гальванически развязанные источники 24 В DC

M72E1ETH поддерживает не только буферные режимы Modbus, но и дополнительные функции:

• Режим прямой передачи (Serial RS485/TCP);
• Режим преобразования Modbus TCP/IP <> Modbus RTU;
• Режим MQTT Gate;
• Веб-интерфейс для настройки.

Заключение и перспективы

Реализация буферных режимов Modbus ETH/RTU в шлюзе M72E1ETH представляет собой значительный шаг в эволюции промышленных коммуникационных устройств. Эти режимы эффективно решают проблему интеграции разнородных систем с существующими Master-устройствами, что особенно актуально в контексте цифровой трансформации промышленности и внедрения концепций Industry 4.0.

Технология буферизации Modbus-данных открывает новые возможности для создания гибких, масштабируемых и отказоустойчивых промышленных систем. Обеспечивается простота интеграции сторонних локальных систем управления в общую глобальную систему, без их разрушения.