如何提高應用在工業(yè)現場(chǎng)RS485總線(xiàn)的穩定性和可靠性

在當今信息通訊高速發(fā)展的階段，人們在充分享受網(wǎng)絡(luò )給人類(lèi)帶來(lái)的喜悅。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的普及和發(fā)展，使得各種控制設備網(wǎng)絡(luò )化成為可能。自動(dòng)化監控、安全防護、門(mén)禁考勤及工業(yè)自動(dòng)化系統得到迅速普及和應用。在工業(yè)控制設備之間中長(cháng)距離通信的諸多方案中，RS-485系統總線(xiàn)因硬件設計簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、工業(yè)控制、小區監控、水利自動(dòng)測控等領(lǐng)域，隨著(zhù)RS485總線(xiàn)系統的廣泛應用，RS485總線(xiàn)系統也越來(lái)越大，RS485總線(xiàn)外掛的485設備越來(lái)越多，從而導致485總線(xiàn)的穩定性越來(lái)越差?，F在市場(chǎng)上已經(jīng)有可以負載128，256臺甚至400臺485設備的轉換器，由于485總線(xiàn)使用總線(xiàn)連接形式，形成如果有一個(gè)485設備出現問(wèn)題，就導致整個(gè)485總線(xiàn)出現問(wèn)題的現象。所以從485總線(xiàn)的穩定性來(lái)說(shuō)，當設備達到一定數量的時(shí)候，從概率上分析，假設485總線(xiàn)上的485設備的無(wú)差錯時(shí)間為99.9％，當有128個(gè)485設備在一個(gè)總線(xiàn)上時(shí)，其無(wú)差錯時(shí)間就是99.9％的128次方，其無(wú)差錯時(shí)間訊速降為87.98％，再有RS-485總線(xiàn)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(huì )導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS-485總線(xiàn)的運行穩定性及可靠性至關(guān)重要。

現在將485總線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )中的每一個(gè)設備都必須通過(guò)一個(gè)信號回路連接到地，以減少數據線(xiàn)上的噪音，所以數據線(xiàn)最好由雙絞線(xiàn)組成，并且在外面加上屏蔽層作為地線(xiàn)，將485網(wǎng)絡(luò )中485設備連接起來(lái)，并且在一個(gè)點(diǎn)可靠接地。對于由分散式工業(yè)控制設備結合RS-485微系統組建的測控網(wǎng)絡(luò )，應優(yōu)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(lián)供電，同時(shí)電源線(xiàn)（交直流）不能與RS-485信號線(xiàn)共用同一股多芯電纜。RS-485信號線(xiàn)宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線(xiàn)而不是平直線(xiàn)。對于每個(gè)小容量直流電源選用線(xiàn)性電源比選用開(kāi)關(guān)電源更合適。

二、在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現場(chǎng)情況十分復雜，各個(gè)節點(diǎn)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(guò)RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于－7V時(shí)，接收器就再也無(wú)法正常工作了，嚴重時(shí)甚至會(huì )燒毀芯片和儀器設備。解決此類(lèi)問(wèn)題的方法是通過(guò)DC-DC將系統電源和RS-485收發(fā)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(guò)光耦將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。RS-485總線(xiàn)為并接式二線(xiàn)制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線(xiàn)“拉死”，因此對其分散式控制系統與總線(xiàn)之間應加以隔離。通常在二線(xiàn)口與總線(xiàn)之間各串接一個(gè)485隔離器

三、485總線(xiàn)隨著(zhù)傳輸距離的延長(cháng)，會(huì )產(chǎn)生回波反射信號，如果485總線(xiàn)的傳輸距離如果超過(guò)100米建議施工時(shí)在485通訊的開(kāi)始端和結束端120歐姆的終端電阻。位于總線(xiàn)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(xiàn)中485節點(diǎn)要盡量減少與主干之間的距離，一般建議485總線(xiàn)采用手牽手的總線(xiàn)拓撲結構。星型結構會(huì )產(chǎn)生反射信號，影響485通信質(zhì)量。如果在施工過(guò)程中必須要求485節點(diǎn)離485總線(xiàn)主干的距離超過(guò)一定距離，建議使用485中繼器進(jìn)行信號延長(cháng)處理。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數與所選RS-485芯片驅動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，實(shí)際使用時(shí)，因線(xiàn)纜長(cháng)度、線(xiàn)徑、網(wǎng)絡(luò )分布、傳輸速率不同，實(shí)際節點(diǎn)數均達不到理論值。工作可靠性明顯下降。通常推薦節點(diǎn)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?xún)?，從通信效率、節點(diǎn)數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時(shí)，應考慮通過(guò)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(diǎn)與主干距離，理論上講，RS-485節點(diǎn)與主干之間距離（T頭，也稱(chēng)引出線(xiàn)）越短越好。T頭小于10m的節點(diǎn)采用T型，連接對網(wǎng)絡(luò )匹配并無(wú)太大影響，可放心使用，但對于節點(diǎn)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(xiàn)，大多用于一對多點(diǎn)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(xiàn)的負載能力的因素：通訊距離，線(xiàn)材的品質(zhì)，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(xiàn)上的485設備比較多的話(huà)，建議使用帶有電源的485轉換器，無(wú)源型的485轉換器由于時(shí)從串口竊電，供電能力不是很足，負載能力不夠。選用好的線(xiàn)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(xiàn)的負載能力。485設備的防雷保護中的防雷管會(huì )吸收電壓，導致485總線(xiàn)負載能力降低，去掉防雷保護可以提高485總線(xiàn)負載能力。如果在現場(chǎng)施工中，相關(guān)的因素不能改變，建議使用485中繼器或者485集線(xiàn)器來(lái)提供485總線(xiàn)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(diǎn)的主從應答式通信系統中，相對于RS-232等全雙工總線(xiàn)效率低了許多，因此選用合適的通信協(xié)議及控制方式非常重要?？偩€(xiàn)穩態(tài)控制（握手信號）大多數使用者選擇在數據發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線(xiàn)進(jìn)入穩定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數據；數據發(fā)送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平，使可靠發(fā)送完畢后才轉入接收狀態(tài)。據筆者使用TC端的延時(shí)有4個(gè)機器周期已滿(mǎn)足要求；為保證數據傳輸質(zhì)量，對每個(gè)字節進(jìn)行校驗的同時(shí)，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(cháng)度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成，每個(gè)數據包長(cháng)度達20～30字節。在RS-485系統中這樣的協(xié)議不太簡(jiǎn)練。推薦用戶(hù)使用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議已廣泛應用于水利、水文、電力等行業(yè)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(shí)相互牽制性強，通常有一個(gè)節點(diǎn)出現故障會(huì )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(diǎn)芯片的VA、VB對電源擊穿，使用萬(wàn)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(shí)可通過(guò)測共模電壓大小來(lái)排查，共模電壓越大說(shuō)明離故障點(diǎn)越近，反之越遠；

2、總線(xiàn)連續幾個(gè)節點(diǎn)不能正常工作。一般是由其中的一個(gè)節點(diǎn)故障導致的。一個(gè)節點(diǎn)故障會(huì )導致鄰近的2～3個(gè)節點(diǎn)（一般為后續）無(wú)法通信，因此將其逐一與總線(xiàn)脫離，如某節點(diǎn)脫離后總線(xiàn)能恢復正常，說(shuō)明該節點(diǎn)故障；

3、集中供電的RS-485系統在上電時(shí)常常出現部分節點(diǎn)不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對RS-485的收發(fā)控制端TC設計不合理，造成微系統上電時(shí)節點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)混亂從而導致總線(xiàn)堵塞。改進(jìn)的方法是將各微系統加裝電源開(kāi)關(guān)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(huì )出現通信失敗。一般是由于網(wǎng)絡(luò )施工不合理導致系統可靠性處于臨界狀態(tài)，最好改變走線(xiàn)或增加中繼模塊。應急方法之一是將出現失敗的節點(diǎn)更換成性能更優(yōu)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(cháng)發(fā)狀態(tài)而將總線(xiàn)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(shí)際測量：一個(gè)運行良好的系統其差模電壓一般在1.2V左右（因網(wǎng)絡(luò )分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8～1.5V范圍內）。