一種基于485標準總線的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)

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(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)

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

主控設(shè)備；分控設(shè)備；從設(shè)備；信息交換池；485總線

1 引 言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，往往需要在現(xiàn)場設(shè)置多個控制設(shè)備（從設(shè)備），而這些設(shè)備又經(jīng)常需要與設(shè)置于控制中心的主控設(shè)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(jīng)常會采用多線制信息交流架構(gòu)。即主控設(shè)備連接多個從設(shè)備，這種架構(gòu)的最顯著缺點是每個探測器到主控設(shè)備之間都要敷設(shè)管線。當從設(shè)備數(shù)量較多時，將產(chǎn)生大量的材料損耗和施工難度，特別是給日后的系統(tǒng)維護帶來極大困難。

隨著微電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域逐步流行起總線通訊架構(gòu)。尤其以485總線標準為典型，發(fā)展速度極其迅猛。這個時期485總線上掛靠多個從設(shè)備，這種總線結(jié)構(gòu)比前一種結(jié)構(gòu)具有簡潔明了、對軟硬件要求不高、實際工程中會節(jié)省大量原材料等優(yōu)點，同時也方便系統(tǒng)日后維護，但通過多年工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)的不足逐步顯現(xiàn)，主要有以下幾點：

（1）只能應(yīng)對相對簡單的任務(wù)。隨著設(shè)備數(shù)量的增加，控制主機與從設(shè)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(wù)要由主控設(shè)備完成，對主控設(shè)備內(nèi)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(shè)備內(nèi)設(shè)置多個獨立的回路卡；

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

（3）通信距離受到限制，當主控設(shè)備與最遠的從設(shè)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(qū)數(shù)量增加時，485通訊協(xié)議顯然已經(jīng)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(tǒng)）。

總之，傳統(tǒng)485總線結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用存在諸多限制，為了充分有效的利用其優(yōu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時對實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)進行探討。

2 通用型485雙CPU多總線工業(yè)控制系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

很多工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)具備集中管理、多種類型的應(yīng)用設(shè)備（從設(shè)備）統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制等功能。同時，這些設(shè)備既可能處于相對集中的區(qū)域內(nèi)，也可能處于分散、相互距離較遠的各個獨立區(qū)域內(nèi)（這樣的區(qū)域一般稱為分區(qū)）。可以說需要應(yīng)用485總線技術(shù)的工業(yè)場所五花八門，系統(tǒng)規(guī)模也大小不一。小規(guī)模的可能只有數(shù)點（從設(shè)備），大規(guī)模的能達數(shù)千點。因此，如何建立能靈活適應(yīng)不同規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)的總線架構(gòu)，對發(fā)揮485總線優(yōu)勢，提高其應(yīng)用品質(zhì)就顯得非常重要了。綜合上述討論，這一架構(gòu)應(yīng)具備如下功能：

（1）能適應(yīng)具有多個獨立分區(qū)的場所，而每個分區(qū)內(nèi)各個從設(shè)備都掛在本分區(qū)內(nèi)的總線上。由此，需要設(shè)立主控設(shè)備和分控設(shè)備。主控設(shè)備設(shè)在控制中心，每個分區(qū)設(shè)立一個或數(shù)個分控設(shè)備，而每個分控設(shè)備又控制本分區(qū)內(nèi)若干個從設(shè)備（滿足485總線標準規(guī)定的節(jié)點要求）。主控設(shè)備通過分控設(shè)備掌握各個從設(shè)備的實時狀態(tài)信息，而不再直接與從設(shè)備進行信息交流。也就是說，整個系統(tǒng)以分區(qū)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(shè)備集中處理的各個分區(qū)信息，分散一部分到分控設(shè)備進行預(yù)先處理，大大減輕了主控設(shè)備的負擔；

（2）能方便系統(tǒng)大規(guī)模擴充，比如上面提到的群廠房控制系統(tǒng)，如果增加廠房數(shù)量，此時，不能破壞原有的系統(tǒng)架構(gòu)。為此，需要設(shè)立主控制總線和從控制總線，主控設(shè)備通過主控制總線與分控設(shè)備連接，分控設(shè)備通過從控制總線與分區(qū)內(nèi)相應(yīng)的各個從設(shè)備連接。也就是說，主控設(shè)備不再直接與各個分區(qū)內(nèi)的從設(shè)備打交道，而只與分控設(shè)備聯(lián)系。這樣，當系統(tǒng)需要進行前面所指出的廠房數(shù)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(nèi)又可設(shè)立另外的分控設(shè)備和從設(shè)備了。這樣的系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)會非常整潔，工程施工中也減小了管線的工程量和系統(tǒng)維護成本；

（3）主控設(shè)備應(yīng)具備便利的功能擴充能力。須設(shè)立對內(nèi)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(nèi)總線指的是與打印、顯示、聯(lián)動控制等模塊連接的總線，每個模塊都設(shè)立獨立的CPU。通過設(shè)立內(nèi)總線，可方便的實現(xiàn)各種功能模塊的增減；

（4）分控設(shè)備應(yīng)分擔一定的從設(shè)備信息處理任務(wù)，經(jīng)過處理后，只將處理結(jié)果通知給主控設(shè)備。為此，分控設(shè)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(shè)備進行信息交換（通過分控制總線）。

這種結(jié)構(gòu)的另外好處是增加了驅(qū)動距離（需要將區(qū)域機放在各個分區(qū)內(nèi)）。如果利用主機直接驅(qū)動各個設(shè)備，其驅(qū)動距離只能是485總線的標準距離。而通過上述架構(gòu)，可將系統(tǒng)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(shè)備就相當于加油站。原來最多跑1000公里的汽車，經(jīng)過加油后可再跑1000公里。也就是說，理論上，采用分控設(shè)備后，主控設(shè)備到最遠的從設(shè)備之間的距離增加了一倍。這樣，無疑會提高對不同規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 通用型485多CPU多總線工業(yè)控制系統(tǒng)主要技術(shù)實現(xiàn)

（1）雙CPU＋信息交換池

前面敘述的結(jié)構(gòu)中有兩個最重要的設(shè)備（也可以稱為節(jié)點），一個是主控設(shè)備（一般安裝在控制中心），另一個是分控設(shè)備（一般安裝在各個分區(qū)內(nèi)）。其共同特點是均采用雙CPU加信息交換池結(jié)構(gòu)。對主控設(shè)備來說，其中一個CPU通過主控制總線與各個分區(qū)內(nèi)的分控制設(shè)備進行信息交流。另一個CPU通過內(nèi)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(jù)具體的任務(wù)需求進行靈活設(shè)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(lián)動控制模塊等。限于篇幅，有關(guān)這些模塊的設(shè)計不在這里討論，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 CPU和交換池電路結(jié)構(gòu)框圖

而對分控設(shè)備來說，其中一個CPU通過主控制總線與主控設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，而不用具有雙通訊端口的單CPU結(jié)構(gòu)，主要是為了提高CPU的效率和簡化相應(yīng)的軟件設(shè)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(yīng)進行聯(lián)絡(luò)和協(xié)調(diào)（圖中的DATA1、DATA2、DATA3、DATA4等信號線即為聯(lián)絡(luò)線）。

這里只給出最關(guān)鍵的主控設(shè)備CPU1和分控設(shè)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(fù)位電路

圖5所示為系統(tǒng)采用的手動和自動一體化復(fù)位電路?！翱撮T狗”芯片采用市場上廣泛應(yīng)用的MAX813。之所以采用兩路獨立的復(fù)位電路，是便于CPU1和CPU2的控制。手動復(fù)位共用一個開關(guān)，可保證在緊急情況下需要進行人工干預(yù)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(shè)計。實際應(yīng)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(fā)送。

圖5 自動和手動復(fù)位電路圖

圖6 串行通訊隔離電路圖

4 結(jié)束語

文中提出的結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過了實際檢驗，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了一臺主控設(shè)備，三臺分控設(shè)備。一臺分控設(shè)備帶了60個從設(shè)備，另外兩臺分控設(shè)備各自帶了40個從設(shè)備。這些從設(shè)備包括智能火災(zāi)探測器、智能消防栓等。系統(tǒng)運行良好，達到了設(shè)計目的。實際上，文中提出的結(jié)構(gòu)可適用于多種工業(yè)控制領(lǐng)域，比如新近興起的大空間智能消防、多節(jié)點工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制、智能大廈的信息管理與設(shè)備控制等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張毅剛，修甘成，胡振江.MCS－51單片機應(yīng)用設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

［2］李秉操，張登革，付壽英，等.單片機接口技術(shù)及在工業(yè)控制中的應(yīng)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(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)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(yīng)用。

2014－06－10