工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)技術(shù)
本文主要解釋了“網(wǎng)關(guān)”，“設(shè)備服務(wù)器”，“轉(zhuǎn)換器”，“擴(kuò)展模塊”... ...這些工業(yè)通信專業(yè)詞匯在概念上的區(qū)別，有助于用戶更好地選擇合適的產(chǎn)品。
1. OSI模型
開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）是1984年由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的一個(gè)參考模型。作為一個(gè)概念性框架，它是不同制造商的設(shè)備和應(yīng)用軟件在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在此模型已成為計(jì)算機(jī)間和網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行通信的主要結(jié)構(gòu)模型。目前使用的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)都是基于 OSI 模型的。OSI 將通信過程定義為七層，即將連網(wǎng)計(jì)算機(jī)間傳輸信息的任務(wù)劃分為七個(gè)更小、更易于處理的任務(wù)組。每一個(gè)任務(wù)或任務(wù)組則被分配到各個(gè) OSI 層。每一層都是獨(dú)立存在的，因此分配到各層的任務(wù)能夠獨(dú)立地執(zhí)行。
2. 轉(zhuǎn)換器和擴(kuò)展模塊
轉(zhuǎn)換器通常工作在 OSI 模型的第 1 層和第 2 層。它們做的是將電氣信號從一個(gè)物理媒體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物理媒體。例如 RS-232 <-> RS-422 轉(zhuǎn)換器就是在這兩種不同電氣信號之間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。另一個(gè)例子是以太網(wǎng) 100Mbit CAT5 Cable <->100Mbit 光纖轉(zhuǎn)換器。 轉(zhuǎn)換器在工業(yè)場合種十分有用，可從一種物理媒體轉(zhuǎn)發(fā)至另一種，但僅僅是信號的轉(zhuǎn)發(fā)，而不進(jìn)行任何應(yīng)用層的附加功能。
當(dāng)信號通過很長的電纜進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，就會減弱和畸變，我們稱之為衰減。如果電纜長到一定程度，衰減最終會導(dǎo)致信號無法識別。擴(kuò)展模塊就是用來使信號傳得更遠(yuǎn)。它工作在 OSI 物理層來重新生成通訊信號并將其重發(fā)到其它網(wǎng)段。 擴(kuò)展模塊主要用于延長網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間的通訊距離。 擴(kuò)展模塊將減弱的信號從一個(gè)段獲取并進(jìn)行重新生成，然后轉(zhuǎn)送到下一個(gè)段。擴(kuò)展模塊既不翻譯也不過濾任何信息。只有兩個(gè)段使用相同的訪問方法的時(shí)候才能使用擴(kuò)展模塊。 例如，擴(kuò)展模塊是不能連接一個(gè)使用 CSMA/CD ( 以太網(wǎng) ) 的網(wǎng)段和一個(gè)使用令牌的網(wǎng)段。
3. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)
交換機(jī)可看作為智能重復(fù)器。它們將物理層信號放大，但同時(shí)還提供對所接收包的智能分析。具有存儲和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的以太網(wǎng)交換機(jī)可查看收到的整個(gè)數(shù)據(jù)幀及其端口。先通過 CRC 校驗(yàn)檢查通訊位是否被破壞，如果校驗(yàn)錯(cuò)誤則將這幀數(shù)據(jù)丟棄。如果 CRC 校驗(yàn)成功，交換機(jī)將查看目的地址并將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至目的幀所在的端口。
4. 設(shè)備服務(wù)器/網(wǎng)橋
設(shè)備服務(wù)器也稱作網(wǎng)橋，網(wǎng)橋工作在 OSI 模型的 1-4 層。它進(jìn)行連接建立、重發(fā)和錯(cuò)誤處理等。數(shù)據(jù)可以方便地通過網(wǎng)橋進(jìn)行交換，但是是以匿名數(shù)據(jù)塊進(jìn)行發(fā)送的。第 4 層本身沒有數(shù)據(jù)處理機(jī)制。 對于以太網(wǎng)，設(shè)備服務(wù)器非常多地用于將串行網(wǎng)絡(luò)，例如 RS-232 橋接到以太網(wǎng)。設(shè)備服務(wù)器具有完整的 TCP/IP 協(xié)議棧，在它的串口側(cè)，串口數(shù)據(jù)封裝在 TCP/IP 幀中，然后通過以太網(wǎng)傳送。這聽上去有些像媒體轉(zhuǎn)換器，但設(shè)備服務(wù)器進(jìn)行了更復(fù)雜的時(shí)序和協(xié)議處理。 如果串口服務(wù)器與基于 PC 的系統(tǒng)通訊， PC 通常運(yùn)行應(yīng)用軟件來從 TCP/IP 幀中提取數(shù)據(jù)。 PC 上的軟件將創(chuàng)建一個(gè)虛擬的串口用于與設(shè)備通訊。這種方式不需要向原有的應(yīng)用添加任何新功能，就可將數(shù)據(jù)在 PC 和設(shè)備之間進(jìn)行透明傳輸，既便需要對軟件和硬件進(jìn)行改動，也非常少。大多數(shù)情況下，最終用戶看不到直接的串行連接，它已被以太網(wǎng)上的虛擬端口所取代。 使用這種方式，設(shè)備服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)將位于很遠(yuǎn)的 PC 通過以太網(wǎng)與串行設(shè)備交換數(shù)據(jù)。
還有一種網(wǎng)橋能夠?qū)⒋薪涌跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至某些現(xiàn)場總線，例如PROFIBUS。這聽上去與我們下面要討論的網(wǎng)關(guān)較為相似。但它的工作原理還是網(wǎng)橋，因?yàn)樗荒軌驅(qū)?shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用層的解析，而只是將串行報(bào)文整體作為PROFIBUS的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這類網(wǎng)橋產(chǎn)品的缺點(diǎn)是其自身不能處理串行報(bào)文的幀格式和收發(fā)機(jī)制(如：掃描周期、超時(shí)時(shí)間、重發(fā)次數(shù)等)，而這些任務(wù)都需要現(xiàn)場總線的主站(如PLC)來完成。從而增加了總線的負(fù)擔(dān)，降低了實(shí)時(shí)性和可靠性。
5. 網(wǎng)關(guān)(7層網(wǎng)關(guān))
網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和協(xié)議的通訊之間的互聯(lián)。它們可以實(shí)現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行重新打包和格式轉(zhuǎn)換，因此一種網(wǎng)絡(luò)能夠理解其它網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用數(shù)據(jù)。 網(wǎng)關(guān)將信息重新打包以符合目的系統(tǒng)的需要。網(wǎng)關(guān)能夠修改報(bào)文的格式因此可以符合接收端的應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)通常用來連接兩個(gè)不可能使用相同通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)。
網(wǎng)關(guān)集成了 OSI 模型 1 至 7 層的全部內(nèi)容。這就實(shí)現(xiàn)了真正意義上兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)翻譯和處理，并達(dá)到了真正聯(lián)接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的目的。通過網(wǎng)關(guān)橋接以太網(wǎng)和其它協(xié)議，例如 DeviceNet, PROFIBUS 或簡單的串行協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)在內(nèi)置 web 服務(wù)器中使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)基于 web 的監(jiān)測和控制。 關(guān)于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至以太網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò)，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。事實(shí)上串口協(xié)議是不具備完整 7 層協(xié)議的，這使得數(shù)據(jù)連接有些困難。例如條碼閱讀器這種設(shè)備僅僅傳送內(nèi)置于特定設(shè)備的 ASCII 數(shù)據(jù)。
6. 串行網(wǎng)關(guān)
將RS-232/422/485設(shè)備接入現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)，可以由“串行網(wǎng)關(guān)”來實(shí)現(xiàn)。SIBOTECH串行網(wǎng)關(guān)利用數(shù)據(jù)緩存區(qū)的方式來解決轉(zhuǎn)換問題。從串行設(shè)備來的數(shù)據(jù)被映射到網(wǎng)關(guān)的本地存儲區(qū)中，通過一個(gè)配置工具軟件，網(wǎng)關(guān)可以定義在串行數(shù)據(jù)流中哪些字節(jié)是純數(shù)據(jù)而哪些是命令控制信息。被選中的純數(shù)據(jù)被映射到另一側(cè)網(wǎng)絡(luò)的第 7 層，因此可以被網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)所接收和理解。
這種解決方案的一個(gè)很大好處就是網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于其內(nèi)置了一個(gè)嵌入式網(wǎng)卡。這樣網(wǎng)關(guān)將所選擇的數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換為 PLC 和現(xiàn)場總線系統(tǒng)所能理解的格式。這樣串行設(shè)備就被看成為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備(如I/O模塊)一樣。SIBOTECH 網(wǎng)關(guān)更高級的功能是它還可以通過 Modbus RTU 等協(xié)議主動地與設(shè)備進(jìn)行控制和通訊，并將特定的數(shù)據(jù)連接到 PROFIBUS 或以太網(wǎng)等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上。它也可以被用于 web 網(wǎng)關(guān)位串口設(shè)備提供基于 web 的管理、監(jiān)測和控制功能。
7. 網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)
隨著對工廠級網(wǎng)絡(luò)靈活性和多樣性需求的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)顯得越來越重要。工業(yè)網(wǎng)關(guān)為聯(lián)接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供了一種解決方案，無論是同在一個(gè)工廠或是與工廠以外。SIBOTECH網(wǎng)關(guān)系列是聯(lián)接任意兩種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。
請瀏覽相關(guān)頁面了解如何使用SIBOTECH網(wǎng)關(guān)，簡單地實(shí)現(xiàn) I/O 數(shù)據(jù)交換，將新舊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)接并相互通訊。