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      如何提高應用在工業現場RS485總線的穩定性和可靠性

      在當今信息通訊高速發展的階段,人們在充分享受網絡給人類帶來的喜悅。隨著網絡的普及和發展,使得各種控制設備網絡化成為可能。自動化監控、安全防護、門禁考勤及工業自動化系統得到迅速普及和應用。在工業控制設備之間中長距離通信的諸多方案中,RS-485系統總線因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優點廣泛應用于工廠自動化、工業控制、小區監控、水利自動測控等領域,隨著RS485總線系統的廣泛應用,RS485總線系統也越來越大,RS485總線外掛的485設備越來越多,從而導致485總線的穩定性越來越差?,F在市場上已經有可以負載128,256臺甚至400臺485設備的轉換器,由于485總線使用總線連接形式,形成如果有一個485設備出現問題,就導致整個485總線出現問題的現象。所以從485總線的穩定性來說,當設備達到一定數量的時候,從概率上分析,假設485總線上的485設備的無差錯時間為99。9%,當有128個485設備在一個總線上時,其無差錯時間就是99。9%的128次方,其無差錯時間訊速降為87。98%,再有RS-485總線在抗干擾、自適應、通信效率等方面仍存在缺陷,一些細節的處理不當常會導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障,因此提高RS-485總線的運行穩定性及可靠性至關重要。

      現在將485總線容易出現故障的情況并且可以排除這些故障的方法羅列如下:

      一、由于485信號使用的是一對非平衡差分信號,意味485網絡中的每一個設備都必須通過一個信號回路連接到地,以減少數據線上的噪音,所以數據線最好由雙絞線組成,并且在外面加上屏蔽層作為地線,將485網絡中485設備連接起來,并且在一個點可靠接地。對于由分散式工業控制設備結合RS-485微系統組建的測控網絡,應優先采用各微系統獨立供電方案,最好不要采用一臺大電源給微系統并聯供電,同時電源線(交直流)不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜。RS-485信號線宜選用截面積0。75mm2以上雙絞線而不是平直線。對于每個小容量直流電源選用線性電源比選用開關電源更合適。

      二、在某些工業控制領域,由于現場情況十分復雜,各個節點之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式,具有一定的抗共模干擾的能力,但當共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓,即大于+12V或小于-7V時,接收器就再也無法正常工作了,嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統電源和RS-485收發器的電源隔離;用光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構筑電路;通過光耦將信號隔離,徹底消除共模電壓的影響。RS-485總線為并接式二線制接口,一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”,因此對其分散式控制系統與總線之間應加以隔離。通常在二線口與總線之間各串接一個485隔離器

      三、485總線隨著傳輸距離的延長,會產生回波反射信號,如果485總線的傳輸距離如果超過100米建議施工時在485通訊的開始端和結束端120歐姆的終端電阻。位于總線兩端的差分端口之間應跨接120Ω匹配電阻,以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲,有效地抑制了噪聲干擾。但匹配電阻要消耗較大電流,不適用于功耗限制嚴格的系統

      四、485總線中485節點要盡量減少與主干之間的距離,一般建議485總線采用手牽手的總線拓撲結構。星型結構會產生反射信號,影響485通信質量。如果在施工過程中必須要求485節點離485總線主干的距離超過一定距離,建議使用485中繼器進行信號延長處理。網絡節點數與所選RS-485芯片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關,實際使用時,因線纜長度、線徑、網絡分布、傳輸速率不同,實際節點數均達不到理論值。工作可靠性明顯下降。通常推薦節點數按RS-485芯片最大值的70%選取,傳輸速率在1200~9600b/s之間選取。通信距離1km以內,從通信效率、節點數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時,應考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。節點與主干距離,理論上講,RS-485節點與主干之間距離(T頭,也稱引出線)越短越好。T頭小于10m的節點采用T型,連接對網絡匹配并無太大影響,可放心使用,但對于節點間距非常?。ㄐ∮?m,如LED模塊組合屏)應采用星型連接,若采用T型或串珠型連接就不能正常工作。RS-485是一種半雙工結構通信總線,大多用于一對多點的通信系統,因此主機(PC)應置于一端,不要置于中間而形成主干的T型分布。

      五、影響485總線的負載能力的因素:通訊距離,線材的品質,波特率,轉換器供電能力,485設備的防雷保護,485芯片的選擇。如果485總線上的485設備比較多的話,建議使用帶有電源的485轉換器,無源型的485轉換器由于時從串口竊電,供電能力不是很足,負載能力不夠。選用好的線材,如有可能使用盡可能低的波特率,選擇高負載能力的485芯片,都可以提高485總線的負載能力。485設備的防雷保護中的防雷管會吸收電壓,導致485總線負載能力降低,去掉防雷保護可以提高485總線負載能力。如果在現場施工中,相關的因素不能改變,建議使用485中繼器或者485集線器來提供485總線的負載能力

      六、提高RS-485通信效率,RS-485通常應用于一對多點的主從應答式通信系統中,相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多,因此選用合適的通信協議及控制方式非常重要??偩€穩態控制(握手信號)大多數使用者選擇在數據發送前1ms將收發控制端TC置成高電平,使總線進入穩定的發送狀態后才發送數據;數據發送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平,使可靠發送完畢后才轉入接收狀態。據筆者使用TC端的延時有4個機器周期已滿足要求;為保證數據傳輸質量,對每個字節進行校驗的同時,應盡量減少特征字和校驗字,慣用的數據包格式由引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成,每個數據包長度達20~30字節。在RS-485系統中這樣的協議不太簡練。推薦用戶使用MODBUS協議,該協議已廣泛應用于水利、水文、電力等行業設備及系統的國際標準中。

      七、RS-485系統的故障處理方法

      RS-485是一種低成本、易操作的通信系統,但是穩定性弱同時相互牽制性強,通常有一個節點出現故障會導致系統整體或局部的癱瘓,而且又難以判斷。故向讀者介紹一些維護RS-485的常用方法。

      1、若出現系統完全癱瘓,大多因為某節點芯片的VA、VB對電源擊穿,使用萬用表測VA、VB間差模電壓為零,而對地的共模電壓大于3V,此時可通過測共模電壓大小來排查,共模電壓越大說明離故障點越近,反之越遠;

      2、總線連續幾個節點不能正常工作。一般是由其中的一個節點故障導致的。一個節點故障會導致鄰近的2~3個節點(一般為后續)無法通信,因此將其逐一與總線脫離,如某節點脫離后總線能恢復正常,說明該節點故障;

      3、集中供電的RS-485系統在上電時常常出現部分節點不正常,但每次又不完全一樣。這是由于對RS-485的收發控制端TC設計不合理,造成微系統上電時節點收發狀態混亂從而導致總線堵塞。改進的方法是將各微系統加裝電源開關然后分別上電,或者采用電源隔離做法。

      4、系統基本正常但偶爾會出現通信失敗。一般是由于網絡施工不合理導致系統可靠性處于臨界狀態,最好改變走線或增加中繼模塊。應急方法之一是將出現失敗的節點更換成性能更優異的芯片?;蛘咴黾?85中繼器使用。

      5、因分散式控制系統故障導致TC端處于長發狀態而將總線拉死一片。提醒讀者不要忘記對TC端的檢查。盡管RS-485規定差模電壓大于200mV即能正常工作。但實際測量:一個運行良好的系統其差模電壓一般在1。2V左右(因網絡分布、速率的差異有可能使差模電壓在0。8~1。5V范圍內)。

       

       

       
       
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