Modbus網(wǎng)關(guān)是一種能夠?qū)odubs TCP協(xié)議轉(zhuǎn)化為Modbus RTU協(xié)議的設(shè)備。Modbus廣泛應(yīng)用于儀表和傳感器領(lǐng)域，可以獲得儀表和傳感器的數(shù)據(jù)，但是傳統(tǒng)的基于RS485的Modbus RTU（或ASCII）速度和擴展性較差，所以后來出現(xiàn)了Modbus TCP這種基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。所以Modbus網(wǎng)關(guān)這種轉(zhuǎn)換器就應(yīng)運而生了。
四種Modbus網(wǎng)關(guān)從簡單協(xié)議轉(zhuǎn)換到多主機網(wǎng)關(guān)，再到存儲型網(wǎng)關(guān)，再到ZLMB這種可配置網(wǎng)關(guān)。從簡單到復(fù)雜也是反映了它的發(fā)展過程，了解他們的優(yōu)缺點有助于工程師更好掌握它們的使用方法。
這里特別推薦的是ZLMB可配置網(wǎng)關(guān)，它可以預(yù)先配置需要讀取的多個從站的多個寄存器列表，然后網(wǎng)口可以用一條指令一次性讀取所有寄存器，讀取效率非常高。且讀取速度很快。具體參考《可配置Modbus網(wǎng)關(guān)ZLMB》。
最初的Modubs網(wǎng)關(guān)，只不過是需要解決數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。舉一個例子，Modbus RTU（RS485端）中03功能碼，讀取00開始的1個寄存器的指令為：01 03 00 00 00 01 84 0a，其中84 0a是CRC校驗。而一個Modbus TCP指令（網(wǎng)絡(luò)端）為00 00 00 00 00 06 01 03 00 00 00 01。我們知道普通的串口服務(wù)器是“透傳”的，也就是發(fā)送串口發(fā)送01 03 00 00 00 01 84 0a，網(wǎng)口也是01 03 00 00 00 01 84 0a。為了實現(xiàn)這個RTU轉(zhuǎn)Modbus TCP功能，對比發(fā)現(xiàn)只要去掉CRC校驗84 0a加上開頭的00 00 00 00 00 06即可。
這種簡單的格式轉(zhuǎn)化確實能夠初步地滿足要求。但是缺點是：
1.無法多主機訪問：不能實現(xiàn)多個Modbus TCP主機去訪問網(wǎng)關(guān)，因為主機A和主機B發(fā)送的數(shù)據(jù)在RS485總線上會產(chǎn)生搶占總線沖突，引起數(shù)據(jù)錯亂。
2.返回數(shù)據(jù)干擾：設(shè)備對主機A的應(yīng)答不僅會返回給主機A也會返回給主機B，這樣主機B的返回數(shù)據(jù)中就會有干擾數(shù)據(jù)。
雖然簡單協(xié)議轉(zhuǎn)化進本已經(jīng)被淘汰，這里也簡要介紹一下它的設(shè)置方法：在ZLVircom配置工具的“設(shè)備編輯”界面中選擇轉(zhuǎn)化協(xié)議為“Modbus TCP轉(zhuǎn)RTU”，在高級選項中去掉“多主機”和“RS485防沖突”兩個勾。
多主機模式的Modbus網(wǎng)關(guān)正是為解決“簡單協(xié)議轉(zhuǎn)化”模式的缺點設(shè)計的。如上圖所示，當主機A和主機B同時訪問是Modbus網(wǎng)關(guān)會進行總線的占用調(diào)度，從而解決總線沖突問題，另外主機A訪問的數(shù)據(jù)也不會再發(fā)送給主機B，解決了返回數(shù)據(jù)干擾問題。
數(shù)據(jù)通訊步驟如下：
1.當網(wǎng)關(guān)收到主機A的查詢請求時，檢查總線是否有在使用，如果空閑則發(fā)送到RS485總線上，否則等待到總線空閑。
2.網(wǎng)關(guān)記錄下來當前查詢的主機，這里是主機A。
3.當數(shù)據(jù)從RS485總線返回時，網(wǎng)關(guān)將其轉(zhuǎn)化為Modbus TCP格式轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的主機（這里是主機A）。
多主機模式的優(yōu)點是，實現(xiàn)了多臺主機的同時訪問，解決了總線沖突和返回數(shù)據(jù)干擾問題，但是仍然存在不足之處：
1.數(shù)據(jù)返回慢：從以上的數(shù)據(jù)通訊步驟可以看出，一臺主機獲得數(shù)據(jù)需要數(shù)據(jù)線從網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到RS485總線，等待設(shè)備返回后再從RS485轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)。由于RS485總線本身是慢速通信方式，主機一般需要等待50～100ms才能獲得一個數(shù)據(jù)。
2.主機數(shù)量很多時，等待容易超時：這也是數(shù)據(jù)返回慢引起的另外一個問題。
對于早期的ZLAN5142默認即“多主機模式”；對于ZLAN5143（1.565之前版本）不支持“多主機模式”，只支持“存儲型”；對于于ZLAN5143（1.565及其之后版本）支持“多主機模式”，設(shè)置方法為：在ZLVircom配置工具的“設(shè)備編輯”界面中選擇轉(zhuǎn)化協(xié)議為“Modbus TCP轉(zhuǎn)RTU”，在高級選項中將RS485總線沖突最多等待時間改為2秒即可。
存儲型網(wǎng)關(guān)正是為了解決“多主機模式”的缺點而設(shè)計的，由于“多主機模式”的慢速問題主要是由于RS485總線返回數(shù)據(jù)太慢引起的，“存儲型”的思路就是通過預(yù)先獲得某些需要的數(shù)據(jù)，事先存儲起來，等網(wǎng)絡(luò)端需要數(shù)據(jù)時可以立即提供，從而減少數(shù)據(jù)查詢時間。
存儲型網(wǎng)關(guān)有兩個特點：
1.自學(xué)習(xí)：存儲型網(wǎng)關(guān)無需配置，因為它可以在主機索要一個查詢數(shù)據(jù)的時候就會將這個記錄保存一起，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部會自動學(xué)習(xí)當前網(wǎng)口需要的數(shù)據(jù)。
2.事先查詢：當網(wǎng)關(guān)獲悉所有主機索要的所有的寄存器之后，網(wǎng)關(guān)會事先進行逐條查詢，并把結(jié)果存儲到網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部。
如此一來，當主機A想要之前要過的數(shù)據(jù)的時候，網(wǎng)關(guān)會從自己的內(nèi)存中調(diào)取數(shù)據(jù)，并立即返回給主機A，由于沒有轉(zhuǎn)發(fā)到RS485總線的過程，這個時間大約在1～2ms，比之前的50～100ms大大提高。
存儲型網(wǎng)關(guān)的優(yōu)點：
1.返回速度快：主機A查詢返回數(shù)據(jù)時間大大提高。
2.無需配置：由于采用自學(xué)習(xí)方式，無需配置，操作起來和“多主機模式”并沒有差別。
存儲型網(wǎng)關(guān)的問題：
1.首條指令返回慢：由于網(wǎng)關(guān)是通過學(xué)習(xí)來獲得主機索要的寄存器號的，在獲得這個信息前，無法事先查詢。所以主機發(fā)送的第一條指令仍然需要通過轉(zhuǎn)到RS485總線來獲得數(shù)據(jù)。首條指令返回和多主機模式一樣慢。
2.RS485總線查詢過快可能影響設(shè)備工作：由于一般默認情況下RS485總線會以最快速的速度查詢從站設(shè)備內(nèi)部的寄存器內(nèi)容，而某些儀表可能無法適應(yīng)這么快速的查詢導(dǎo)致設(shè)備工作異常。對于這點實際可以加大“RS485總線空余時間”參數(shù)來解決查詢過快的問題，實際是可以解決的。
3.不是最新數(shù)據(jù)：由于數(shù)據(jù)是事先查詢獲得，存儲起來的，所以查到的數(shù)據(jù)可能并不是新的數(shù)據(jù)，雖然這個時間也就只有幾百毫秒，對于某些特殊情況也需要考慮到這種延時。
4.時序問題：某些Modbus TCP的讀取和存儲需要按照寫、讀等時序操作的，“存儲型”的這種預(yù)先存儲會打亂這種時序，會引起某些設(shè)備無法兼容的問題。
這里的缺點2、3、4都可以撤回到“多主機模式”的網(wǎng)關(guān)來解決這個問題，注意撤回到“多主機模式”后，數(shù)據(jù)返回會變慢。注意ZLAN5143的新固件支持“多主機模式”和“存儲型”兩種模式。而上述缺點1（首條指令返回慢），將會在后面的“可配置”網(wǎng)關(guān)中解決。
ZLAN5142不支持“存儲型”，ZLAN5143設(shè)置為“存儲型”的方法為：在ZLVircom配置工具的“設(shè)備編輯”界面中選擇轉(zhuǎn)化協(xié)議為“Modbus TCP轉(zhuǎn)RTU”即可。
為了解決“存儲型”網(wǎng)關(guān)的首條指令返回慢的問題可以采用可配置網(wǎng)關(guān)。可配置網(wǎng)關(guān)也采用“存儲型”網(wǎng)關(guān)的事先查詢獲得RS485總線從站寄存器內(nèi)容的辦法。但是它不采用自學(xué)習(xí)的方法，為了解決首條指令返回慢的問題，必須事先把需要的寄存器列表配置到網(wǎng)關(guān)內(nèi)部。它可以預(yù)先配置Modbus RTU端的設(shè)備的地址、功能碼和寄存器列表，并存儲到網(wǎng)關(guān)內(nèi)部。網(wǎng)關(guān)會自動采集這些配置的RTU設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后映射到連續(xù)的Modbus TCP寄存器地址，從而允許Modbus TCP端一次性讀取所有的設(shè)備的不同寄存器的數(shù)據(jù)。
卓嵐可配置網(wǎng)關(guān)又稱之為ZLMB網(wǎng)關(guān)，有如下的優(yōu)點：
1.所有指令返回速度都快：即使是首條指令也同樣快速。
2.指令合并提高效率：可以將分散的不同的站地址、寄存器映射到同一片寄存器。這樣Modbus TCP端可以用一條指令采集所有數(shù)據(jù)，包括不同站地址的設(shè)備的數(shù)據(jù)，而不是分為幾條指令分別去采集，提高了Modbus TCP端的傳輸效率。
3.地址重映射：對于某些情況需要將不同分散的寄存器重新映射到整片連續(xù)的區(qū)域，ZLMB網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)這個要求。
可配置網(wǎng)關(guān)的缺點：
1.需要手動配置：如果“存儲型”網(wǎng)關(guān)就能夠滿足要求的可以優(yōu)先選擇“存儲型”，因為“存儲型”無需任何配置。ZLMB方式需要手動使用ZLVircom配置需要的寄存器。
2.事先預(yù)讀取引起的問題：和存儲型一樣存在“不是最新數(shù)據(jù)”和“時序問題”。
卓嵐ZLAN5143、ZLAN7144、ZLAN7146、ZLAN8303等都支持可配置Modbus網(wǎng)關(guān)功能。其中ZLAN5143需要固件版本1.579及以上版本，配合ZLVircom5.15及以上版本來使用。7144需要固件版本1.491及以上版本。配置方法是：在ZLVircom配置工具的“設(shè)備編輯”界面中點擊“固件和配置”按鈕，然后在彈出的“網(wǎng)頁程序下載工具”對話框中，選擇“網(wǎng)頁目錄下載”，然后點擊“ZLMB”按鈕，設(shè)計完畢后點擊“下載”按鈕下載到設(shè)備內(nèi)容。具體內(nèi)容請參考《可配置Modbus網(wǎng)關(guān)ZLMB》的詳細介紹。
| 網(wǎng)關(guān)類型 | 簡單協(xié)議轉(zhuǎn)化 | 多主機模式 | 存儲型網(wǎng)關(guān) | 可配置網(wǎng)關(guān) |
|---|---|---|---|---|
| 多主機支持 | ╳ | √ | √ | √ |
| 返回指令快 | ╳ | ╳ | √ | √ |
| 首條指令返回快 | ╳ | ╳ | ╳ | √ |
| 不存在預(yù)先讀取引起的問題 | √ | √ | ╳ | ╳ |
| 無需配置 | √ | √ | √ | ╳ |
| 支持指令和合并和重新映射地址 | ╳ | ╳ | ╳ | √ |
總的來說，可配置網(wǎng)關(guān)是讀取效率最高的，最為先進的Modbus網(wǎng)關(guān)，但是配置較為繁瑣；而存儲型網(wǎng)關(guān)是默認的模式，也是使用最簡便的模式，同時具有多主機、讀取速度快等特點；而在某些RS485設(shè)備不適應(yīng)“預(yù)先讀取”這種的情況下，可以退回到“多主機”模式這種慢速模式。而“簡單協(xié)議轉(zhuǎn)化”模式由于存在多主機時有總線誤碼和丟失，一般情況不會采用。
四種Modbus網(wǎng)關(guān)模式和對應(yīng)的型號現(xiàn)列出到如下表：
| 名稱 | 型號 | 簡單協(xié)議轉(zhuǎn)化 | 多主機模式 | 存儲型網(wǎng)關(guān) | 可配置網(wǎng)關(guān) |
|---|---|---|---|---|---|
| 多串口Modbus網(wǎng)關(guān) | ZLAN5240、ZLAN5443A、ZLAN5843A、ZLAN5G40A | √ | √ | ╳ | ╳ |
| 單串口Modbus網(wǎng)關(guān) | ZLAN5142、ZLAN5142-3 | √ | √ | ╳ | ╳ |
| 新一代多串口Modbus網(wǎng)關(guān) | ZLAN5443D、ZLAN5443-232 | √ | √ | √ | √ |
| 以太網(wǎng)Modus網(wǎng)關(guān) | ZLAN5143 | √ | √ | √ | √ |
| Wifi+以太網(wǎng)Modus網(wǎng)關(guān) | ZLAN7144 | √ | √ | √ | √ |
| Wifi Modus網(wǎng)關(guān) | ZLAN7146 | √ | √ | √ | √ |
| 4G+以太網(wǎng)Modbus網(wǎng)關(guān) | ZLAN8303-7 | √ | √ | √ | √ |
| Zigbee Modbus網(wǎng)關(guān) | ZLAN9543 | √ | √ | √ | √ |
| Lora Modbus網(wǎng)關(guān) | ZLAN9743 | √ | √ | √ | √ |
