Serielle Geräte in das IoT integrieren

Mehrwert durch Integration

An vielen industriellen Standorten arbeiten die vorhandenen seriellen Geräte noch immer sehr effizient. Das volle Potenzial vieler serieller Geräte ist jedoch weitgehend noch nicht ausgeschöpft. Um einen Mehrwert aus solchen Geräten zu generieren, werden die von ihnen erfassten Daten in der Cloud gespeichert. Das dient zur weiteren Analyse und dazu, bisher unbekannte Informationen zu erhalten, die breitere Möglichkeiten für die Verschlankung des Betriebs eröffnen. Hierfür müssen die bestehenden seriellen Geräte zunächst in ein Netzwerk integriert werden.

Um serielle Altgeräte an ein Ethernet-basiertes Netzwerk anzubinden, können seriell-zu-Ethernet-Konverter, auch serielle Geräteserver genannt, installiert werden. Serielle Geräteserver unterstützen zwei Schnittstellen: eine serielle auf der einen Seite, eine Ethernet-Schnittstelle auf der anderen. Außerdem unterstützen sie virtuelle COM-Ports, sodass sie als bestehende COM-Ports im Scada-System dienen. Das bedeutet, dass ein bestehendes Scada-System genutzt werden kann – das spart die Kosten für eine Neuentwicklung. Darüber hinaus unterstützen serielle Geräteserver auch den so genannten Rad-Socket-Betrieb, der serielle Daten transparent in TCP oder UDP konvertiert. Die meisten Scada-Systeme und OPC-Server unterstützen Ethernet-Kapselungstreiber, die mit seriellen Geräteservern arbeiten, um proprietäre Protokolle zu empfangen. Das Protokoll muss zwar wie zuvor manuell gehandhabt werden, der Geräteserver hilft aber, die Daten mühelos an ein Ethernet-Netzwerk weiterzuleiten. Bevor Daten von seriellen Altgeräten empfangen werden können, müssen die Geräte korrekt konfiguriert werden. Die meisten nutzen proprietäre Protokolle, also muss man überlegen, wie sich die seriellen Daten in Ethernet-Pakete umwandeln lassen. Dabei müssen verschiedene Faktoren bedacht werden, damit die seriellen Geräteserver IoT-Cloud-Anwendungen unterstützen können.

Ohne Unterstützung von Datenverpackungsoptionen müsste man komplexe Scada-Softwareanwendungen entwickeln, um die TCP-Pakete korrekt zu verarbeiten. Diese Alternative verschlingt viel Zeit und kann sogar zu Systemfehlern führen. (Bild: Moxa Europe GmbH)

Multiples Polling

Die Anbindung eines seriellen Geräts an ein Escada-System ist einfach. Im Fall des IIoT ist dieser Vorgang jedoch nicht so unkompliziert, da die Daten in die Cloud vielleicht weitergeleitet werden müssen. Ein Scada-System und eine dezentrale Cloud-Anwendung können über einen seriellen Geräteserver gleichzeitig ein Kommando an ein serielles Gerät senden. Deshalb muss der Geräteserver die FIFO- (First In, First Out) Queue unterstützen, damit alle Anfragen verarbeitet werden können. Nur die erste Anfrage wird an ein serielles Gerät gesendet, der Rest wartet in der FIFO-Warteschlange. Sobald der Geräteserver die Antwort eines seriellen Geräts empfängt, sendet er diese an das relevante Scada-System oder die Cloud-Anwendung und bearbeitet dann die nächste Anfrage in der Warteschlange. Diese Form des Befehl-für-Befehl-Abarbeitens ist in IIoT-Anwendungen mit multiplem Polling aufgrund der hohen Anzahl von Geräten mit proprietären Protokollen sehr wichtig. Ohne diese Funktionalität wäre ein extra IoT-Gateway erforderlich, welches multiples Polling unterstützt.

Proprietäre Protokolle über Ethernet

Da viele serielle Geräte proprietäre Protokolle einsetzen, ist die größte Herausforderung deren korrekte Konvertierung in Ethernet-Pakete. Viele serielle Geräteserver unterstützen die Betriebsmodi Raw Socket und TCP, welche diese Art der Konvertierung durchführen können. Das Problem liegt jedoch darin, dass ein serieller Geräteserver nicht zwangsläufig weiß, wie er serielle Daten in TCP-Pakete aufteilen soll. Die Geräteserver verstehen serielle Datenformate nicht, deshalb kann es sein, dass sie die Antwort eines seriellen Geräts in zwei oder mehr TCP-Pakete packen. Ein Scada-System oder eine Cloud-Anwendung werden diese Pakete als falsche Antworten ablehnen, da sie erwarten, dass ein TCP-Paket einer einzelnen Antwort von einem seriellen Gerät entspricht. Um das zu vermeiden, müssen Geräteserver flexible Datenverpackungsoptionen beherrschen, da die proprietären Protokolle verschiedene Formate aufweisen können. Beispielsweise können feste Datenlängen oder spezielle Begrenzungszeichen genutzt werden, um einzelne Antworten serieller Geräte zu identifizieren. Das bedeutet, dass ein serieller Geräteserver die Daten eines seriellen Geräts so lange empfängt und nicht ans Ethernet weiterleitet, bis er die feste Datenlänge oder ein Begrenzungszeichen empfängt. Ohne Unterstützung von Datenverpackungsoptionen müsste man komplexe Scada-Softwareanwendungen entwickeln, um die TCP-Pakete korrekt zu verarbeiten. Diese Alternative verschlingt viel Zeit und kann sogar zu Systemfehlern führen.

Mehr Verbindungen, mehr Bandbreite

In vielen Anwendungen müssen serielle Geräte Daten an eine Leitstelle oder eine Cloud-Anwendung zurücksenden. Dazu müssen serielle Geräteserver eine dezentrale Verbindung öffnen, bevor sie serielle Daten übertragen können. Ist eine große Anzahl von seriellen Geräten im selben Netzwerk angebunden, erfordert diese Verbindung in der Leitstelle oder der Cloud-Anwendung viele Ressourcen. Um die vielen dezentralen Verbindungen richtig zu verarbeiten, sollten serielle Geräteserver die flexible Verbindungssteuerung unterstützen. Der beste Weg, um das zu tun, ist es, eine Verbindung nur dann zu öffnen, wenn serielle Daten von einem Gerät empfangen werden. Sobald die Verbindung beendet ist, sollte der Geräteserver die Verbindung so schnell wie möglich wieder schließen. Ohne flexible Verbindungssteuerung muss man Extrazeit investieren, um die Verbindungen in der Leitstelle oder Cloud-Anwendung zu bewältigen.

Das meiste aus einem Geräteserver herausholen

Wenn die Betriebsmodi richtig aufeinander abgestimmt werden, kann ein serieller Geräteserver viel Zeit und Geld sparen. Moxas serielle Geräteserver der NPort-Serie bieten eine Vielzahl von Betriebsmodi, die dabei helfen, verschiedene Arten serieller Geräte im Netzwerk sichtbar zu machen. Darüber hinaus bieten die Geräteserver verschiedene fortschrittliche Funktionen als Bestandteil jedes Betriebsmodus, um Anwender dabei zu unterstützen, ihren Betrieb zu verschlanken und die Vorteile der seriell-zu-Ethernet-Konnektivität vollständig auszuschöpfen.

Autor: Casper Yang,
Produktmanager
Moxa
www.moxa.com