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基于通讯管理模块的工业控制系统通讯结构的优势分析
在大型的控制系统中，系统的联网通讯功能几乎是必须的。通常由大量的带通讯功能的控制模块或仪表以及一台主控上位机构成这个控制系统。目前最普及的工业通讯是基于RS485的通讯，它所带的模块通讯个数有限，而且当个数较多时，系统与上位机的通讯延时较长，系统反应慢，导致用户体验差，这种情况下通讯管理模块应运而生。
本文以武汉辉达工控的控制系统为例，介绍武汉辉达HD-M-DY4000系列通讯管理模块的作用。实际项目证明，当上位机需要与较多的控制模块或仪表进行通讯时，带通讯管理模块的控制系统对用户的响应时间明显缩短，优势明显。（本文中的通讯协议均指MODBUS-RTU485协议。）
1.1传统通讯结构简介
传统的工业控制系统通讯结构如上图。控制模块作为最底层的通讯对象，它们各自采集所需的数据，等待上位机来读取这些信息，同时接收上位机发来的命令信号，这些模块不能主动的发送数据给上位机，相邻模块之间也不能相互通讯。每个控制模块占用一个通讯地址，系统最多带32个控制模块。上位机则轮流查询各个模块所采集到的数据，同时接收用户的命令，并将这些命令进行解析，执行相应的操作。
1.2 传统通讯结构所面临的问题
当控制模块较多时，上位机需要不断的从每个控制模块中读取数据，而由于每个控制模块只保存有与自己相关的部分数据，上位机可能只读了这个控制模块中的一个数据，就需要切换到下一个控制模块，这时候上位机又需要重新发送下一个控制模块的地址，命令等等一系列数据，还要为每次发出的数据和接收到的数据重新计算校验，系统开销很大，不能将MODBUS-RTU协议的批读功能发挥出来，导致上位机很大部分时间发送的都是地址、命令、校验等信息，而真正有用的数据信息传输的很少。同时，由于上位机软件在频繁的切换通讯模块，频繁的计算数据校验，导致系统对用户的响应不及时，系统反应慢。
综上所述，在上位机需要与很多模块通讯的大型控制系统中，通讯总线上存在着数据流频繁，但数据传输效率低下，并且上位机因通讯开销过大而对其他响应不及时的问题。
二、 基于通讯管理模块的通讯结构
上图是在传统工业通讯结构的基础上添加了通讯管理模块的实现方法。通过以上两张图我们可以发现，在添加了通讯管理模块后，通讯系统由两级结构变成了三级结构。上位机直接控制的对象由控制模块变成了通讯管理模块，通讯管理模块再控制控制模块。
添加通讯管理模块后，上位机与通讯管理模块这一级的485总线上数据传输效率得到了大大提高。因为管理模块中保存着下面多个控制模块的数据信息，上位机在需要这些信息的时候就可以一次性的读取到这些信息，因为它们在同一个模块中，拥有同一个协议地址，从而将通讯协议的批读功能发挥起来。
在通讯管理模块与控制模块这一级的485总线上，数据的传输和传统工业通讯系统是一样的，这一级总线上同样存在着数据传输效率低下的问题，但由于通讯管理模块的任务单一，只需处理通讯数据，不用向上位机一样处理大量的其他任务，因此这个问题在整个系统中是可以接受的。
对上位机而言，上位机不知道系统中有多少控制模块，它只需要和少量的几个通讯管理模块通讯即可，这样上位机程序就不必为数据通讯花费太多的开销，从而提高对用户的响应速度和整个系统的效率。同时，上位机可接多个通讯管理模块，每个通讯管理模块又可接多个控制模块，不同通讯管理模块下控制模块，由于它们不在一条通讯总线上，因此它们的通讯地址可以一样，这样整个系统就可接更多的控制模块，为更大型的通讯系统提供了可能。
三、 实际通讯管理模块简介
武汉辉达工控的HD-M-DY4000系列通讯管理模块是根据自身项目需求而自主研发的一款产品。它通过485总线连接其它设备，符合标准MODBUS-RTU通讯协议。它具备2路RS485接口，每路串口可分别设置波特率。
对上位机来说，HD-M-DY4000系列通讯管理模块作为从机与上位机进行通讯，对底层的控制模块来说，通讯管理模块作为主机与底层控制模块进行通讯。如下图：
在具体实现上，通讯管理模块选用了一个双串口的单片机来作为主控器件，其中串口1作为与上位机通讯的接口，工作在RS485从站模式；串口2 作为与底层模块通讯的接口，工作在RS485主站模式。单片机实时的读取底层模块的数据，当上位机向自己读取数据时，就把这些数据发送给上位。
同时该HD-M-DY4000系列通讯管理模块还配备了其它功能，可以定制一系列指令，向指定的模块发送一个或多个数据，从而完成相应的功能。模块自身带有ＤＣ２４Ｖ馈电输出，方便用户外接其它需要供电的设备。模块带有一路继电器抱紧，可配置成不同模式，用于不同场合的抱紧继电器输出。模块带有两个八位的ＬＥＤ显示屏幕及４个按键，用户可通过菜单修改一系列的内部参数。
四、小结
本文主要对传统工业控制通讯系统和添加HD-M-DY4000系列通讯管理模块后的通讯管理系统做了比较，并对武汉辉达工控的一款通讯管理模块做了简单介绍。在实际项目中证明，添加了通讯管理模块的系统反应更灵敏，能更快的相应用户的操作。
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