一种基于485标准总线的工业控制系统架构

李 辉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

一种基于485标准总线的工业控制系统架构

李 辉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

在工程应用领域，由于485标准总线硬件设计简单，控制方便，成本低廉而得到广泛应用，但也存在一些不足。针对传统485标准总线结构的缺陷，提出了新的通用型系统总线结构。这种结构从控制设备来分由主控设备、分控设备、从设备组成，特别提出了双CPU＋信息交换池技术，重点解决工程应用中普遍存在的由于任务多、设备分布广、通讯距离远等带来的各种困难，使传统485标准总线的功能得到大大增强，基本上满足相对复杂条件下的使用。

主控设备；分控设备；从设备；信息交换池；485总线

1 引 言

在工业控制领域，往往需要在现场设置多个控制设备（从设备），而这些设备又经常需要与设置于控制中心的主控设备进行各种信息交流。上世纪90年代初期，受电子元气件性能等因素的限制，经常会采用多线制信息交流架构。即主控设备连接多个从设备，这种架构的最显著缺点是每个探测器到主控设备之间都要敷设管线。当从设备数量较多时，将产生大量的材料损耗和施工难度，特别是给日后的系统维护带来极大困难。

随着微电子技术和通讯技术的发展，在工业控制领域逐步流行起总线通讯架构。尤其以485总线标准为典型，发展速度极其迅猛。这个时期485总线上挂靠多个从设备，这种总线结构比前一种结构具有简洁明了、对软硬件要求不高、实际工程中会节省大量原材料等优点，同时也方便系统日后维护，但通过多年工程领域中的应用，该结构的不足逐步显现，主要有以下几点：

（1）只能应对相对简单的任务。随着设备数量的增加，控制主机与从设备之间时实信息交换会变得愈加困难。由于大量的信息处理任务要由主控设备完成，对主控设备内的中央处理器（CPU）的性能要求也会更高，特别是需要在主控设备内设置多个独立的回路卡；

（2）系统扩充不方便，特别是当各个从设备分别处于地理上比较分散的环境时（如相互分散的厂房）；

（3）通信距离受到限制，当主控设备与最远的从设备之间的距离超过485总线的标准通讯距离时，特别是随着不同功能分区数量增加时，485通讯协议显然已经不能满足要求。往往需要增加额外的软硬件开销（比如增加光纤通讯系统）。

总之，传统485总线结构的工程应用存在诸多限制，为了充分有效的利用其优点并克服不足，下面的讨论是在满足485通讯标准的情况下，提出一种新型系统结构，同时对实现该结构的主要技术进行探讨。

2 通用型485双CPU多总线工业控制系统功能与结构

很多工业控制系统应具备集中管理、多种类型的应用设备（从设备）统一协调与控制等功能。同时，这些设备既可能处于相对集中的区域内，也可能处于分散、相互距离较远的各个独立区域内（这样的区域一般称为分区）。可以说需要应用485总线技术的工业场所五花八门，系统规模也大小不一。小规模的可能只有数点（从设备），大规模的能达数千点。因此，如何建立能灵活适应不同规模工业系统的总线架构，对发挥485总线优势，提高其应用品质就显得非常重要了。综合上述讨论，这一架构应具备如下功能：

（1）能适应具有多个独立分区的场所，而每个分区内各个从设备都挂在本分区内的总线上。由此，需要设立主控设备和分控设备。主控设备设在控制中心，每个分区设立一个或数个分控设备，而每个分控设备又控制本分区内若干个从设备（满足485总线标准规定的节点要求）。主控设备通过分控设备掌握各个从设备的实时状态信息，而不再直接与从设备进行信息交流。也就是说，整个系统以分区为基本功能单位进行分布式管理。这样做的好处之一是将原来需要主控设备集中处理的各个分区信息，分散一部分到分控设备进行预先处理，大大减轻了主控设备的负担；

（2）能方便系统大规模扩充，比如上面提到的群厂房控制系统，如果增加厂房数量，此时，不能破坏原有的系统架构。为此，需要设立主控制总线和从控制总线，主控设备通过主控制总线与分控设备连接，分控设备通过从控制总线与分区内相应的各个从设备连接。也就是说，主控设备不再直接与各个分区内的从设备打交道，而只与分控设备联系。这样，当系统需要进行前面所指出的厂房数量扩充时，只需将原来的主控制总线进行适当延伸到新建立的厂房即可，而在新厂房内又可设立另外的分控设备和从设备了。这样的系统不但结构会非常整洁，工程施工中也减小了管线的工程量和系统维护成本；

（3）主控设备应具备便利的功能扩充能力。须设立对内和对外两层总线，分别由独立的CPU管理。两个CPU通过信息交换池进行信息交换。对外总线就是上面提到的主控制总线，对内总线指的是与打印、显示、联动控制等模块连接的总线，每个模块都设立独立的CPU。通过设立内总线，可方便的实现各种功能模块的增减；

（4）分控设备应分担一定的从设备信息处理任务，经过处理后，只将处理结果通知给主控设备。为此，分控设备也采用双CPU体制，两个CPU通过信息交换池进行信息交换。其中1个CPU负责与主机进行信息交换（通过主控制总线），另一个CPU负责与各个独立的从设备进行信息交换（通过分控制总线）。

这种结构的另外好处是增加了驱动距离（需要将区域机放在各个分区内）。如果利用主机直接驱动各个设备，其驱动距离只能是485总线的标准距离。而通过上述架构，可将系统通讯距离大大扩大。打个比喻，如果将总线上流动的信息流比成高速公路上的小汽车，那么分控设备就相当于加油站。原来最多跑1000公里的汽车，经过加油后可再跑1000公里。也就是说，理论上，采用分控设备后，主控设备到最远的从设备之间的距离增加了一倍。这样，无疑会提高对不同规模工业控制系统的适应能力。系统结构如图1所示。

3 通用型485多CPU多总线工业控制系统主要技术实现

（1）双CPU＋信息交换池

前面叙述的结构中有两个最重要的设备（也可以称为节点），一个是主控设备（一般安装在控制中心），另一个是分控设备（一般安装在各个分区内）。其共同特点是均采用双CPU加信息交换池结构。对主控设备来说，其中一个CPU通过主控制总线与各个分区内的分控制设备进行信息交流。另一个CPU通过内总线与各个独立的功能模块进行信息交流，这些功能模块可根据具体的任务需求进行灵活设置，可能的模块包括液晶显示模块、信息存储和打印模块、人机界面管理模块、联动控制模块等。限于篇幅，有关这些模块的设计不在这里讨论，具体结构如图2所示。

图1 系统结构框图

图2 CPU和交换池电路结构框图

而对分控设备来说，其中一个CPU通过主控制总线与主控设备进行信息交流，另一个CPU通过从控制总线与各个独立的从设备进行信息交流。

需要指出的是，主分控制器之所以都采用双CPU结构，而不用具有双通讯端口的单CPU结构，主要是为了提高CPU的效率和简化相应的软件设计。文中所述方案中的CPU采用了89S52芯片，而信息交换池采用了I2C芯片。对I2C读写操作前，两个CPU应进行联络和协调（图中的DATA1、DATA2、DATA3、DATA4等信号线即为联络线）。

这里只给出最关键的主控设备CPU1和分控设备的CPU2的软件流程，分别如图3和图4所示。

图3 CPU1软件流程图

图4 CPU2软件流程图

（2）“看门狗”及复位电路

图5所示为系统采用的手动和自动一体化复位电路。“看门狗”芯片采用市场上广泛应用的MAX813。之所以采用两路独立的复位电路，是便于CPU1和CPU2的控制。手动复位共用一个开关，可保证在紧急情况下需要进行人工干预时两个CPU的同步运行。

（3）通讯隔离电路

为了提高抗干扰能力，所有通讯端口都要进行隔离设计。实际应用中采用的隔离芯片是6N137，通讯芯片采用了MAX487。电路如图6所示。图中TR为信号传输方向控制端，“0”为接收，“1”为发送。

图5 自动和手动复位电路图

图6 串行通讯隔离电路图

4 结束语

文中提出的结构已经经过了实际检验，系统内设置了一台主控设备，三台分控设备。一台分控设备带了60个从设备，另外两台分控设备各自带了40个从设备。这些从设备包括智能火灾探测器、智能消防栓等。系统运行良好，达到了设计目的。实际上，文中提出的结构可适用于多种工业控制领域，比如新近兴起的大空间智能消防、多节点工业生产的自动化控制、智能大厦的信息管理与设备控制等，具有广阔的应用前景。

［1］张毅刚，修甘成，胡振江.MCS－51单片机应用设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.

［2］李秉操，张登革，付寿英，等.单片机接口技术及在工业控制中的应用［M］.西安：陕西电子编辑部，1991.

［3］薛鈞文，张彦斌.MCS－5196系列单片微型计算机及其应用［M］.西安：西安交通大学出版社，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

李辉（1963－），男，辽宁沈阳人，工程师，研究方向：计算机应用。

2014－06－10