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RS485通讯在配网智能优化节电系统中的应用

供稿:万洲电气股份有限公司 2012/10/19 10:33:52

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  • 关键词: RS485,WPZYJ,通讯,半双工
  • 摘要:本文介绍了RS485通讯组网的方法及注意事项,给出了一些增强RS485通讯稳定性的方法,介绍RS485通讯接口的设计及通讯芯片的选择,给出了RS485通讯在WPZYJ系统中的应用。

1.引言

随着工业自动化水平不断提升的需求,工业现场通讯技术不断发展,其中RS485通讯凭着其接口简单、成本低、传输距离长、可实现大规模组网等优点得到了广泛的应用。

从工业信息化的发展历程来看,最早的数据通讯是采用模拟信号进行传输的,只能进行简单的数据传输。后来发展为RS232的通讯方式,可实现大量、复杂数据的传输,但由于是点对点的传输方式、且传输距离短,不适用于通讯组网。RS485通讯解决了这些问题,RS485通讯有二线制和四线制两种,四线制属于全双工的通讯方式,但是也只能进行点对点的传输,所以其使用也逐渐减少,如今工业组网使用最普遍的即为二线制半双工RS485通讯,本文中的RS485通讯即两线制RS485通讯。

2. RS485通讯及组网的技术难度和技术瓶颈

RS485通讯组网采用的是主从结构的总线模式。即使用一条总线,将一定数量的具有RS485通讯功能的设备连接起来,在同一条通讯总线中只有一个主站,其他均为从站,每个从站在组网时已设置好通讯地址。在同一总线中的设备使用相同的通讯协议,现使用最普遍的为MODBUS协议。在每一个通讯过程中,先由主站以广播的形式下发命令数据帧,数据帧通过通讯总线传到每个从站,从站在接收数据后首先查看数据帧中地址位,只有地址位符合的从站才会对控制指令进行回应。

由此可看出,要成功完成RS485通讯的布网,需要同时注意硬件上的网路线路的连接和软件上的通讯协议两个方面。在硬件连接上需注意连接的稳定性,采用抗干扰能力强的布线方式,布线采用具有屏蔽层的双绞线,并保证总线阻抗的连续性,同时在通讯终端进行阻抗的匹配,以吸收总线终端反射的干扰信号。在软件程序的设计上采用标准的MODBUS协议,以兼容市场上大部分的使用RS485通讯的设备。

3.如何提高RS485通讯的稳定性

虽然RS485通讯的组网方式简单,但其通讯的稳定性却是在工业应用中所关注的重点,从上文可看出,提高通讯的稳定性也要从硬件和软件两方面同时进行。下面从RS485通讯布网的各个环节给出一些提高通讯稳定性的方法。

3.1接口电路

通讯芯片选择:首先接口电路的设计要从选择通讯芯片开始,芯片的选择影响到同一总线所挂节点的数量,应通过查看资料或向芯片商了解芯片能带的节点数量,需要注意的是一条通讯总线能挂的节点数还受通讯设备驱动能力、总线阻抗等其他因素的影响。在这些芯片中有很多是具有抗雷击和防静电冲击的性能,例如使用较为普遍SN75LBC184可抗雷击同时承受8KV的静电冲击。

信号隔离:RS485总线将多台设备通讯端口连接,走线距离长,干扰信号容易通过总线串入通讯设备,轻则造成通讯故障、影响设备的正常运行,重则损坏通讯接口甚至损坏设备,因此必须对通讯电路采取隔离措施。使用最普遍的隔离方法即光耦隔离,在使用光耦隔离需要注意的问题是,光耦的传输速度会决定通讯的速度即通讯波特率,因此在光耦选型时需满足最大使用的通讯速度。

保护措施:工业现场电磁环境恶劣,也有可能在户外使用,需要对总线采取必要的保护措施,除采用防雷击芯片外,另外还需要在通讯接口两条线上面对地各接一只TVS管以消除浪涌冲击。由于RS484采用总线结构时,如有一个节点出现故障将影响整个总线的通讯,可在每个通讯接口处两条线上串入10Ω左右的电阻,出现通讯故障时电阻熔断,将故障的通讯接口与总线断开,不影响总线正常通讯。

3.2布线

通讯线选择:在工业现场组网时宜采用屏蔽双绞线,可有效降低总线上的共模干扰,屏蔽层必须有效接地才能起到抗干扰的作用,另外需要注意的是在同一条总线上应使用同一种规格的线缆,若导线规格不相同则会因为阻抗不连续,在不连续点会造成信号的反射,反射信号与正确通讯信号叠加就会造成通讯失败。

连接方式:RS45总线不应采用星形或环形连接,最佳的接线方式为手拉手式连接,如图1所示:

 

走线距离:当使用0.56mm(24AWG)双绞线作为通讯电缆时,波特率为9600时,最大传输距离理论值为800米,在实际使用时,受环境影响传输距离也会有一定折减,长距离传输时可增加中继器,或使用光纤介质进行信号传输,可大大增强传输的稳定性。

3.3终端匹配

长距离传输时信号会在总线的两端产生反射,为吸收反射信号需要在总线两端进行阻抗的匹配,常用的终端匹配方法为在总线两端增加终端电阻,终端电阻阻值的应与双绞线的特征阻抗相同,一般为120Ω。需要注意的是终端电阻会消耗一定的功率,只需要在总线的始端和末端进行匹配即可,若增加终端电阻的节点过多,也有可能造成收发器驱动能力不足,影响正常通讯。

在功耗限制比较严格的通讯系统中,可采取另外两种终端匹配的方法来降低功耗,一种是采用电阻串联电容进行终端匹配,这种匹配方式可阻断直流部分,节省功率,但是难点在于电容的取值,同时还要考虑增加电容后带来的通讯延时。另一种方法为使用二极管进行匹配,利用二极管钳位作用迅速虚弱反射信号,也可达到降低干扰的效果,而且不增加总线负担。

3.4接地

工业现场电磁环境恶劣,为降低干扰需要对通讯每个环节做好接地的处理,很多时候由于忽略了通讯网络连接的电脑所使用电源的接地,而导致电脑通讯端口对地有电压,超过通讯设备的共模范围而损坏通讯设备。另外通讯网络中的通讯设备也要做好接地的处理,通讯线路的屏蔽层要可靠接地,可通过屏蔽层将每个通讯接口的通讯地连接,然后再接大地,使每个通讯接口有共同的参考电平,虽然RS485采用差分的方式进行信号传输,但是也要考虑其共模范围,若低于其共模范围,信号无法辨认,超出共模范围则会损坏通讯接口。

4.RS485通讯在WPZYJ系统中的应用

RS485通讯已广泛引用于工业测控领域,目前主流PLC、智能仪表等控制终端都已配备RS485通讯接口。现以万洲电气股份有限公司研发的智能优化配网节电系统为例介绍RS485通讯的具体应用。

在该系统中所使用的通讯终端为测控装置,根据工业现场设备使用情况一般有PLC、智能电力表、电力设备的主控装置以及万洲电气开发的智能测控终端IED,通过RS485总线将这些通讯终端连接成RS485网络,通过通讯服务器将RS485网络接入企业的局域网,在电气控制室、办公室等任何有局域网的地方安装系统后台软件即可实现对现场设备的监控。图2为某轴承厂使用WPZYJ系统的网络拓扑图:

 

 

 

在提高通讯稳定性方面,该系统中采用了以下方法:

l        根据该厂的配电情况,考虑RS485通讯的距离和节点数量,分五个区域进行网络组建,组成5条485总线,每条总线通过通讯服务器将RS485信号转换为以太网信号,就近接入局域网,解决了RS485长距离传输易受干扰的问题;

l        使用屏蔽双绞线进行RS485网络布线,屏蔽层可靠接地;

l        走线时采用单独的线槽,与电源线保持距离;

l        IED的通讯端口设计采用工业级芯片SN65LBC184,与SN75LBC184的区别在于具有更广的工作温度范围-40℃-85℃,在工业应用中更具稳定性;

l        每个IED均配有终端电阻,通过跳线来控制终端电阻是否接入,使用时只需要将处于总线两端的IED终端电阻跳线短接即可;

l        采用多串口通讯服务器,不同类型的通讯终端连接在不同的串口上,由于不同设备的协议和通讯控制方式以及硬件接口电路的差异,有可能不能完全兼容,连接在同一总线上时会有一定的几率造成相互干扰,所以采用多串口的通讯服务器将不同类型的设备接在不同的串口上,增强通讯的稳定性。

采用以上方法后,经测试该485网络平均无故障时间已达到标准GB/T 17463第3.1条中“R1级”规定,即≥2000小时;系统可用性满足GB/T 17463第3.2条中“A1级”规定;系统平均修复时间MTTR 满足GB/T 17463第3.3条中“M3级”规定;系统平均故障修复时间MRT 满足GB/T 17463第3.3条中“RT3级”规定;一百多台设备数据轮询时间<1min,遥控操作响应时间<3s。

5.结束语

    随着工业信息化建设的发展,RS485通讯的应用也日渐成熟,然而未来的通讯网络将需要具有更大的信息传送能力,需要具有更快的通讯速度,RS485通讯也将受到更多的挑战。

6.参考文献

[1] 弋沛琦等.RS-485总线通信可靠性的分析与研究[J];海军航空工程学院学报;2009.11(6)

[2] 宋晓伟,解大.多主结构485总线的设计与实现[J];电力系统通信;2008(4)

[3] 谢春萍,陈铁军.基于RS-485的多机串行通信系统的设计[J];电脑知识与技术;2006 (36)

[4] 朱志伟,周志光,鲍祖尚.RS-485总线通信系统的可靠性措施[J];单片机与嵌入式系统应用;2006(03)

[5] 65LBC184. Datasheet [Z].TEXASINSTRUMENTS.

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