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。

ModBus网关是什么

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。

- 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。

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，如军事、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。

网关模式区别

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。

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。

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：

从机1接收数据 ：01 01 00 00 00 01 FD CA
从机1应答数据 ：01 01 01 00 51 88
从机2接收数据 ：02 01 00 00 00 01 FD F9
从机2应答数据 ：02 01 01 00 51 CC

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。

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。

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。

「物联网」ModBus 网关模式区别