一種基于485標準總線的工業控制系統架構

李 輝

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

一種基于485標準總線的工業控制系統架構

李 輝

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

在工程應用領域，由于485標準總線硬件設計簡單，控制方便，成本低廉而得到廣泛應用，但也存在一些不足。針對傳統485標準總線結構的缺陷，提出了新的通用型系統總線結構。這種結構從控制設備來分由主控設備、分控設備、從設備組成，特別提出了雙CPU＋信息交換池技術，重點解決工程應用中普遍存在的由于任務多、設備分布廣、通訊距離遠等帶來的各種困難，使傳統485標準總線的功能得到大大增強，基本上滿足相對復雜條件下的使用。

主控設備；分控設備；從設備；信息交換池；485總線

1 引 言

在工業控制領域，往往需要在現場設置多個控制設備（從設備），而這些設備又經常需要與設置于控制中心的主控設備進行各種信息交流。上世紀90年代初期，受電子元氣件性能等因素的限制，經常會采用多線制信息交流架構。即主控設備連接多個從設備，這種架構的最顯著缺點是每個探測器到主控設備之間都要敷設管線。當從設備數量較多時，將產生大量的材料損耗和施工難度，特別是給日后的系統維護帶來極大困難。

隨著微電子技術和通訊技術的發展，在工業控制領域逐步流行起總線通訊架構。尤其以485總線標準為典型，發展速度極其迅猛。這個時期485總線上掛靠多個從設備，這種總線結構比前一種結構具有簡潔明了、對軟硬件要求不高、實際工程中會節省大量原材料等優點，同時也方便系統日后維護，但通過多年工程領域中的應用，該結構的不足逐步顯現，主要有以下幾點：

（1）只能應對相對簡單的任務。隨著設備數量的增加，控制主機與從設備之間時實信息交換會變得愈加困難。由于大量的信息處理任務要由主控設備完成，對主控設備內的中央處理器（CPU）的性能要求也會更高，特別是需要在主控設備內設置多個獨立的回路卡；

（2）系統擴充不方便，特別是當各個從設備分別處于地理上比較分散的環境時（如相互分散的廠房）；

（3）通信距離受到限制，當主控設備與最遠的從設備之間的距離超過485總線的標準通訊距離時，特別是隨著不同功能分區數量增加時，485通訊協議顯然已經不能滿足要求。往往需要增加額外的軟硬件開銷（比如增加光纖通訊系統）。

總之，傳統485總線結構的工程應用存在諸多限制，為了充分有效的利用其優點并克服不足，下面的討論是在滿足485通訊標準的情況下，提出一種新型系統結構，同時對實現該結構的主要技術進行探討。

2 通用型485雙CPU多總線工業控制系統功能與結構

很多工業控制系統應具備集中管理、多種類型的應用設備（從設備）統一協調與控制等功能。同時，這些設備既可能處于相對集中的區域內，也可能處于分散、相互距離較遠的各個獨立區域內（這樣的區域一般稱為分區）。可以說需要應用485總線技術的工業場所五花八門，系統規模也大小不一。小規模的可能只有數點（從設備），大規模的能達數千點。因此，如何建立能靈活適應不同規模工業系統的總線架構，對發揮485總線優勢，提高其應用品質就顯得非常重要了。綜合上述討論，這一架構應具備如下功能：

（1）能適應具有多個獨立分區的場所，而每個分區內各個從設備都掛在本分區內的總線上。由此，需要設立主控設備和分控設備。主控設備設在控制中心，每個分區設立一個或數個分控設備，而每個分控設備又控制本分區內若干個從設備（滿足485總線標準規定的節點要求）。主控設備通過分控設備掌握各個從設備的實時狀態信息，而不再直接與從設備進行信息交流。也就是說，整個系統以分區為基本功能單位進行分布式管理。這樣做的好處之一是將原來需要主控設備集中處理的各個分區信息，分散一部分到分控設備進行預先處理，大大減輕了主控設備的負擔；

（2）能方便系統大規模擴充，比如上面提到的群廠房控制系統，如果增加廠房數量，此時，不能破壞原有的系統架構。為此，需要設立主控制總線和從控制總線，主控設備通過主控制總線與分控設備連接，分控設備通過從控制總線與分區內相應的各個從設備連接。也就是說，主控設備不再直接與各個分區內的從設備打交道，而只與分控設備聯系。這樣，當系統需要進行前面所指出的廠房數量擴充時，只需將原來的主控制總線進行適當延伸到新建立的廠房即可，而在新廠房內又可設立另外的分控設備和從設備了。這樣的系統不但結構會非常整潔，工程施工中也減小了管線的工程量和系統維護成本；

（3）主控設備應具備便利的功能擴充能力。須設立對內和對外兩層總線，分別由獨立的CPU管理。兩個CPU通過信息交換池進行信息交換。對外總線就是上面提到的主控制總線，對內總線指的是與打印、顯示、聯動控制等模塊連接的總線，每個模塊都設立獨立的CPU。通過設立內總線，可方便的實現各種功能模塊的增減；

（4）分控設備應分擔一定的從設備信息處理任務，經過處理后，只將處理結果通知給主控設備。為此，分控設備也采用雙CPU體制，兩個CPU通過信息交換池進行信息交換。其中1個CPU負責與主機進行信息交換（通過主控制總線），另一個CPU負責與各個獨立的從設備進行信息交換（通過分控制總線）。

這種結構的另外好處是增加了驅動距離（需要將區域機放在各個分區內）。如果利用主機直接驅動各個設備，其驅動距離只能是485總線的標準距離。而通過上述架構，可將系統通訊距離大大擴大。打個比喻，如果將總線上流動的信息流比成高速公路上的小汽車，那么分控設備就相當于加油站。原來最多跑1000公里的汽車，經過加油后可再跑1000公里。也就是說，理論上，采用分控設備后，主控設備到最遠的從設備之間的距離增加了一倍。這樣，無疑會提高對不同規模工業控制系統的適應能力。系統結構如圖1所示。

3 通用型485多CPU多總線工業控制系統主要技術實現

（1）雙CPU＋信息交換池

前面敘述的結構中有兩個最重要的設備（也可以稱為節點），一個是主控設備（一般安裝在控制中心），另一個是分控設備（一般安裝在各個分區內）。其共同特點是均采用雙CPU加信息交換池結構。對主控設備來說，其中一個CPU通過主控制總線與各個分區內的分控制設備進行信息交流。另一個CPU通過內總線與各個獨立的功能模塊進行信息交流，這些功能模塊可根據具體的任務需求進行靈活設置，可能的模塊包括液晶顯示模塊、信息存儲和打印模塊、人機界面管理模塊、聯動控制模塊等。限于篇幅，有關這些模塊的設計不在這里討論，具體結構如圖2所示。

圖1 系統結構框圖

圖2 CPU和交換池電路結構框圖

而對分控設備來說，其中一個CPU通過主控制總線與主控設備進行信息交流，另一個CPU通過從控制總線與各個獨立的從設備進行信息交流。

需要指出的是，主分控制器之所以都采用雙CPU結構，而不用具有雙通訊端口的單CPU結構，主要是為了提高CPU的效率和簡化相應的軟件設計。文中所述方案中的CPU采用了89S52芯片，而信息交換池采用了I2C芯片。對I2C讀寫操作前，兩個CPU應進行聯絡和協調（圖中的DATA1、DATA2、DATA3、DATA4等信號線即為聯絡線）。

這里只給出最關鍵的主控設備CPU1和分控設備的CPU2的軟件流程，分別如圖3和圖4所示。

圖3 CPU1軟件流程圖

圖4 CPU2軟件流程圖

（2）“看門狗”及復位電路

圖5所示為系統采用的手動和自動一體化復位電路。“看門狗”芯片采用市場上廣泛應用的MAX813。之所以采用兩路獨立的復位電路，是便于CPU1和CPU2的控制。手動復位共用一個開關，可保證在緊急情況下需要進行人工干預時兩個CPU的同步運行。

（3）通訊隔離電路

為了提高抗干擾能力，所有通訊端口都要進行隔離設計。實際應用中采用的隔離芯片是6N137，通訊芯片采用了MAX487。電路如圖6所示。圖中TR為信號傳輸方向控制端，“0”為接收，“1”為發送。

圖5 自動和手動復位電路圖

圖6 串行通訊隔離電路圖

4 結束語

文中提出的結構已經經過了實際檢驗，系統內設置了一臺主控設備，三臺分控設備。一臺分控設備帶了60個從設備，另外兩臺分控設備各自帶了40個從設備。這些從設備包括智能火災探測器、智能消防栓等。系統運行良好，達到了設計目的。實際上，文中提出的結構可適用于多種工業控制領域，比如新近興起的大空間智能消防、多節點工業生產的自動化控制、智能大廈的信息管理與設備控制等，具有廣闊的應用前景。

［1］張毅剛，修甘成，胡振江.MCS－51單片機應用設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1990.

［2］李秉操，張登革，付壽英，等.單片機接口技術及在工業控制中的應用［M］.西安：陜西電子編輯部，1991.

［3］薛鈞文，張彥斌.MCS－5196系列單片微型計算機及其應用［M］.西安：西安交通大學出版社，1990.

An Industrial Control System Architecture Based on 485 Standard Bus

LIHui
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Because of its simple design of hardware，convenient control and low cost，the 485 standard bus has been widely used in engineering applications.But for solving some defects，a new general system bus architecture，composed of master control equipment，sub－control equipment and slave unit，is put forward in this paper.A technology of dual－CPU with information buffer pool is specially present to solve all kinds of difficulties in the engineering applications such as large number of tasks，wide equipment distribution，long communication distance，etc..It greatly enhances the functions of traditional 485 standard bus and meets the requirements of use in relative complex conditions.

Master control equipment；Sub－control equipment；Slave unit；Information buffer pool；485 bus

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.009

TP399

：A

：1002－2279（2014）06－0026－04

李輝（1963－），男，遼寧沈陽人，工程師，研究方向：計算機應用。

2014－06－10