TW201603586A - 可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置 - Google Patents

Abstract

一種可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其包含：至少一個工業設備，該工業設備係運行Modbus協定；一Modbus主動式命令發送裝置，該Modbus主動式命令發送裝置透過同一個區域網路與各該工業設備通訊連接；一虛擬Slave裝置，該虛擬Slave裝置透過網際網路與該Modbus主動式命令發送裝置通訊連接；一監控電腦，該監控電腦透過同一個區域網路與該虛擬Slave裝置通訊連接；藉由該Modbus主動式命令發送裝置主動傳送回覆資料給虛擬Slave裝置，當網際網路發生傳輸異常或延遲時，監控電腦即可於抓取虛擬Slave裝置內所儲存的回覆資料時得知，俾可避免或減少重複傳送查詢命令造成系統錯亂的情況，進而使本發明可達到提高系統穩定性與產品可靠度之功效。

Description

可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置

本發明係關於一種工業設備之資料擷取裝置，特別是關於一種可遠端監控使用Modbus協定的工業設備之資料擷取裝置。

按，在工業控制領域中，經常會使用到各種具有感測或監控功能的工業設備如流量計、溫度控制器、水表及電表等等，這些工業設備一般係使用標準化的Modbus協定，而Modbus協定是一種主/從(Master/Slave)式的架構，在一個數據採集與監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)中，Modbus被用來連接這些工業設備(即Slave端)與監控電腦(即Master端)，請參閱第一圖所示，在一個區域環境如一個工廠廠區內，要利用一監控電腦12對多個前述的工業設備11進行監控或資料之擷取，目前的作法係將各該工業設備11及監控電腦12分別連到同一個區域網路13如乙太網路中，可以留意的是，對於某些比較早期或舊型的工業設備11而言，可能僅具備序列埠(serial port)如RS-485介面而無法直接連接到乙太網路，此時可透過一Modbus轉換器14(Modbus Converter)連上該區域網路13，在此，該Modbus轉換器14具體即為一種序列轉乙太網路轉換器(Serial over Ethernet Converter，又稱為RS-485 to LAN Converter)，又該監控電腦12上通常會執行一SCADA圖控軟體，藉此，該監控電腦12即可透過輪詢(polling)的方式，逐一對各工業設備11發出命令(又稱為 詢問，query)，各該工業設備11執行命令後便可將結果(又稱為回覆，response)傳回該監控電腦12。

前述的Modbus連線架構中，由於該監控電腦12與各該工業設備11皆位於同一個區域網路13，故通常可順利運作，然而，請再參閱第二圖所示，若該監控電腦12與各該工業設備11分別位於不同的區域網路13中，則兩者必須透過網際網路15或廣域網路(WAN，Wide Area Network)方能連線，此時將產生許多新的問題與挑戰，首先，由於Modbus協定規範由命令僅能由Server端發送，設備端不能主動回報，因此在廣域網路環境之下，將面臨到因IPV4之固定IP資源稀少，造成於網際網路上之設備定址困難，同時還須面臨網路封包路由被NAT(Network Address Translation，網路位址轉換)的問題，除此之外，監控電腦12與工業設備11在通訊過程中可能還須面臨其他額外問題，其中較顯著且影響重大的是回覆延遲(response delay)的狀況，通常在Ethernet或LAN的環境中，回覆延遲係設定在250毫秒或更低，但在Internet或WAN的環境中，通訊雙方的封包必須經過各自的ISP接取設備16例如基地台、交換機以及各層傳輸媒介的轉接傳遞，實際上的延遲可能長達30秒到60秒甚至更久，此時監控電腦12可能會誤認為工業設備11回應異常而持續重新發送命令封包，最後可能導致監控電腦12同時收到好幾個相同的回覆，造成運作上的錯亂與產品可靠度降低，或者中間之通訊設備其通訊端口因故關閉，但監控電腦與工業設備均認為還在連線狀態之通訊錯誤等等在傳統區域網路環境下較不會遇到的通訊問題，因轉換至廣域網路將會更加複雜而出現原先不預期的問題缺失，是故，如何針對上述缺失加以改進，即為本案發明人所欲解決之技術困難點所在。

有鑑於現有對於使用Modbus協定之工業設備的遠端存取架構，容易因網路傳輸及回覆的延遲造成系統穩定性與可靠度降低，因此本發明之目的在於提供一種可提升系統穩定性與可靠度之工業設備資料擷取裝置。

為達成以上之目的，本發明係提供一種可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其包含：至少一個工業設備，該工業設備係運行Modbus協定；一Modbus主動式命令發送裝置，該Modbus主動式命令發送裝置透過同一個區域網路與各該工業設備通訊連接；一虛擬Slave裝置，該虛擬Slave裝置透過網際網路與該Modbus主動式命令發送裝置通訊連接；一監控電腦，該監控電腦透過同一個區域網路與該虛擬Slave裝置通訊連接。

藉由該Modbus主動式命令發送裝置主動傳送回覆資料給虛擬Slave裝置，當網際網路發生傳輸異常或延遲時，監控電腦即可於抓取虛擬Slave裝置內所儲存的回覆資料時得知，俾可避免或減少重複傳送查詢命令造成系統錯亂的情況，進而使本發明可達到提高系統穩定性與產品可靠度之功效。

〔習用〕

11‧‧‧工業設備

12‧‧‧監控電腦

13‧‧‧區域網路

14‧‧‧Modbus轉換器

15‧‧‧網際網路

16‧‧‧ISP接取設備

〔本發明〕

3‧‧‧被監控區域

31‧‧‧工業設備

32‧‧‧Modbus主動式命令發送裝置

321‧‧‧外存連接槽

33‧‧‧區域網路

4‧‧‧監控電腦

41‧‧‧區域網路

5‧‧‧虛擬Slave裝置

6‧‧‧網際網路

7‧‧‧虛擬Slave雲端服務平台

第一圖係習用之區域網路連線架構示意圖。

第二圖係習用之廣域網路連線架構示意圖。

第三圖係本發明之架構示意圖。

第四圖係本發明之Modbus主動式命令發送裝置與近端的工業設備進行詢答之動作示意圖。

第五圖係本發明之Modbus主動式命令發送裝置透過網際網路將工業設備的回覆資料傳送至遠端的虛擬Slave裝置之動作示意圖。

第六圖係本發明之監控電腦擷取近端的虛擬Slave裝置所儲存之回覆資料的動作示意圖。

第七圖係本發明其第二實施例之架構示意圖。

請參閱第三圖所示，本發明係提供一種可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其包含：至少一個工業設備31，該工業設備31係運行Modbus協定，具體而言，該工業設備31可為溫度控制器、溼度控制器、流量控制器、水表或電表；一Modbus主動式命令發送裝置32，該Modbus主動式命令發送裝置32透過同一個區域網路33與各該工業設備31通訊連接，在本發明中，通訊連接可包含有線或無線的連線方式，也即該Modbus主動式命令發送裝置32與各該工業設備31係位於同一個被監控區域3例如同一個工廠廠區內，又該Modbus主動式命令發送裝置32係用以自動對各該工業設備31發出一第一查詢命令(query)，並將各該工業設備31的回覆資料(response)加以記錄並儲存，該Modbuds主動式命令發送裝置32可支援網頁介面管理或設定，因此，操作人員實際上可透過網頁介面將該第一查詢命令預先內建於該Modbus主動式命令發送裝置32中，更具體地，該Modbus主動式命 令發送裝置32可使用一網路可程式控制器(web based programmable controller)來實作，又該Modbus主動式命令發送裝置32尚可設有一外存連接槽321，該外存連接槽321可為USB插槽，用以供外接儲存設備如隨身碟插接，而可定時或不定時備份Modbus主動式命令發送裝置32所記錄的回覆資料，俾可提高本發明之實用性，此外，該網路可程式控制器的細部構造與動作原理係屬先前技術且非本案技術特徵，於此不再贅述；一虛擬Slave裝置5，該虛擬Slave裝置5透過網際網路6與該Modbus主動式命令發送裝置32通訊連接，也即該虛擬Slave裝置5與Modbus主動式命令發送裝置32係分別位於不同的區域網路33、41中，又該虛擬Slave裝置5係用以接收並儲存該Modbus主動式命令發送裝置32所傳送的回覆資料，該虛擬Slave裝置5具體可為電腦或其他具備資料儲存功能之電子裝置；一監控電腦4，該監控電腦4透過同一個區域網路41與該虛擬Slave裝置5通訊連接，該監控電腦4上執行有SCADA圖控軟體，該監控電腦4係用以對虛擬Slave裝置5發送一第二查詢命令，而使該虛擬Slave裝置5可將其儲存的回覆資料傳送回該監控電腦4，其中，該第二查詢命令與第一查詢命令的內容相同；請再參閱第四圖所示，藉由該Modbus主動式命令發送裝置32預先內建有該第一查詢命令，而可自動對各該工業設備31發出該第一查詢命令，並將各該工業設備31的回覆資料加以記錄並儲存，此一動作係在相同的區域網路33內完成，請再參閱第五圖、第六圖所示，接下來該Modbus主動式命令發送裝置32即可透過網際網路6主動將該回覆資料傳送並儲存 至虛擬Slave裝置5，此時，該監控電腦4即可對虛擬Slave裝置5發送一第二查詢命令，而使該虛擬Slave裝置5可將其儲存的回覆資料傳送回該監控電腦4，此一動作實際上也在相同的區域網路41內完成，而使本發明完成了監控電腦4對於遠端的工業設備31之監控與資料採集的動作流程，在此，值得一提的是，藉由本發明設置有該虛擬Slave裝置5’並由該虛擬Slave裝置5接收Modbus主動式命令發送裝置32主動傳送過來的回覆資料，而使本發明可令虛擬Slave裝置5在近端「虛擬或模擬」實際上係位於遠端的工業設備31，並使該監控電腦4與虛擬Slave裝置5之間的資料查詢與回覆作業符合標準化的Modbus協定之一問一答架構，俾使整體系統之軟硬體設計相容於既有的Modbus協定，而可大幅降低系統設計、操作與轉移成本；此外，本發明藉由Modbus主動式命令發送裝置32主動傳送回覆資料給虛擬Slave裝置5，當網際網路6發生傳輸異常或延遲時，監控電腦4即可於抓取虛擬Slave裝置5內所儲存的回覆資料時得知，如此即可避免或減少重複傳送查詢命令造成系統錯亂的情況，因而可避免習用之監控電腦12須直接透過網際網路15詢問工業設備11，導致不易判斷分辨傳輸異常或延遲等情況的缺失，進而使本發明可達到提高系統穩定性與產品可靠度之功效；請再配合參閱第七圖所示為本發明之第二實施例，其與第一實施例的差別在於具有一虛擬Slave雲端服務平台7用以取代該虛擬Slave裝置5，且該虛擬Slave雲端服務平台7與該被監控區域3的工業設備31或監控電腦4均位於不同的區域網路中，且該虛擬Slave雲端服務平台7可接受該監控電腦4從遠端連線登入並擷取其所儲存的回覆資料，又該虛擬Slave雲端服務平台7更具體地可為一伺服器，除此之外，該虛擬Slave雲 端服務平台7的用途與動作原理則與虛擬Slave裝置5相同，藉此，本發明即可將應用範圍擴展到多組被監控區域3與監控電腦4上(例如多家不同的工廠之工業設備31及遠端的監控電腦4)，進而使本發明可兼具提高產品擴充性及服務能量之效果。

惟上列詳細說明係針對本發明之較佳實施例的具體說明，該等實施例並非用以限制本發明之專利範圍，而凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

3‧‧‧被監控區域

31‧‧‧工業設備

32‧‧‧Modbus主動式命令發送裝置

321‧‧‧外存連接槽

33‧‧‧區域網路

4‧‧‧監控電腦

41‧‧‧區域網路

5‧‧‧虛擬Slave裝置

6‧‧‧網際網路

Claims (5)

1. 一種可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其包含：至少一個工業設備，該工業設備係運行Modbus協定；一Modbus主動式命令發送裝置，該Modbus主動式命令發送裝置透過同一個區域網路與各該工業設備通訊連接，又該Modbus主動式命令發送裝置係用以自動對各該工業設備發出一第一查詢命令，並將各該工業設備的回覆資料加以記錄並儲存；一虛擬Slave裝置，該虛擬Slave裝置透過網際網路與該Modbus主動式命令發送裝置通訊連接，又該虛擬Slave裝置係用以接收並儲存該Modbus主動式命令發送裝置所傳送的回覆資料；一監控電腦，該監控電腦透過同一個區域網路與該虛擬Slave裝置通訊連接，該監控電腦係用以對虛擬Slave裝置發送一第二查詢命令，而使該虛擬Slave裝置可將其儲存的回覆資料傳送回該監控電腦，其中，該第二查詢命令與第一查詢命令的內容相同。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其中該工業設備為溫度控制器、溼度控制器、流量控制器、水表或電表。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其中該Modbus主動式命令發送裝置設有一外存連接槽。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其中該Modbus主動式命令發送裝置為網路可程式控制器(web based programmable controller)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可用於雲端之工業設備遠端資料擷取裝置，其中具有一虛擬Slave雲端服務平台用以取代該虛擬Slave裝置，且該虛擬Slave雲端服務平台與該工業設備或監控電腦均位於不同的區域網路中。