工业4.0时代，你的上位机通信速度跟得上吗？

通信越快越好吗？

通信速度往往被认为是越快越好。但对于上位机系统来说，是否同样如此呢？

一、通信分类

在自动化系统中，通信通常可分为两大类：

1.现场控制层与现场设备层之间的通信

这一层级主要涉及PLC、DCS等控制器与伺服驱动器、变频器、远程I/O等现场设备之间的数据交互，对实时性要求较高。近年来工业通信技术的发展也印证了这一点——以太网逐步取代串口RS485，Profinet广泛应用并替代Profibus，以及EtherCAT等高速总线技术的普及，都体现了对实时性能的持续追求。

2.过程监控层与现场控制层之间的通信

这一层级主要指上位机与PLC、DCS等控制系统之间的通信。相较于控制层与设备层，其对实时性的要求相对宽松，通常毫秒到秒级的延迟即可满足应用需求。在该场景下，通信的稳定性和兼容性往往比高速传输更为重要。

二、通信速度

通信速度主要取决于所采用的技术方案与系统设计。一旦技术方案确定，通信速度的大致范围也就基本确定。

例如，若采用RS485接口并基于Modbus RTU协议进行通信，其通信周期通常可达几十毫秒，且这一数值可通过计算得出。通信周期（T）可表示为：

通信周期（T）＝ 请求帧传输时间 + 响应帧传输时间 + 从站响应时间 + 超时余量

其中，帧传输时间 = 帧字节数 × 每字节传输时间。

以波特率9600（无校验、8位数据、1位停止位）下读取10个寄存器为例：

帧字节数 = 8（请求帧） + 25（响应帧） = 33 Byte

每字节总位数 = 起始位1位 + 数据位8位 + 停止位1位 = 10位

每字节传输时间 = 10 bit ÷ 9600 bps ≈ 1.04 ms

帧传输时间 = 33 × 1.04 ms ≈ 34.32 ms

从站响应时间设为30 ms，超时余量设为30 ms

则总通信周期 ≈ 34.32 ms + 30 ms + 30 ms = 94.32 ms。

即使在此基础上进行各类优化，通信周期最快也只能控制在几十毫秒级别。这就好比在普通城市道路上，即便是顶级赛车，也无法发挥其高速性能——通信速率本质上受制于底层通道的能力。

三、通信优化

技术方案确定后，通信的单次交互时间也随之基本确定。在此基础上，整个通信周期的计算公式可表示为：

通信周期 = 单次交互时间 × 交互次数

因此，若要缩短通信周期，关键在于减少交互次数。以下是几种可行的优化思路：

方案一：变量连续性优化

以协议数据单元（PDU）为标准，尽可能将需要访问的变量地址规划在连续区域。

例如，在三菱PLC系统中，单次通信最多可读取960个字或2000个位。在某实际项目中，共有400多个变量分布于D区和M区，通过与PLC工程师协作，将变量集中为300个D寄存器和200个M区地址，最终仅需2次交互即可完成采集，通信周期缩短至5–10 ms。

方案二：利用协议特性

部分通信协议支持非连续地址的合并读取，如可在单次请求中同时读取D区和M区的数据。在变量分布难以连续化时，可充分利用该功能以减少交互次数。

方案三：优先级分组采集

根据变量的重要性与更新需求，将其划分为不同优先级。例如，关键变量每周期读取，次要变量可设置为3秒或5秒读取一次，从而降低高频交互的数据量。

方案四：界面驱动通信

将变量按功能界面分组，仅在打开对应界面时，才读取该界面所需的变量。这种方式可实现通信负载的按需分配，避免无效数据交互。

在实际应用中，方案一因实现简单、效果显著而最为常用。若其无法完全满足需求，再依次考虑其他辅助方案，以实现通信效率的阶梯优化。

四、通讯测试

在维持上述优化不变的前提下，将通信链路替换为目标无线网络，并重点监测其平均通信周期、周期抖动及通信成功率等关键指标的变化，以评估无线环境对通信效率的实际影响。

因此我们以三菱PLC系统为例，介绍多台FX5u PLC无线连接下的以太网无线通讯实现过程。无线组网系统如下：

通过“优化-测试-分析-再优化”的闭环，我们就能将无线通信从一种灵活的连接手段，锤炼成足以支撑关键应用的可靠链路。