具有高可靠性的485 Hub星型總線(xiàn)是什么樣的？

一、 概述

一些變電站采用支持多節點(diǎn)遠間隔通訊的RS-485總線(xiàn)作為局部監控系統的通訊網(wǎng)絡(luò )，但是由于485總線(xiàn)的物理結構決定了在變電站強電磁環(huán)境的通訊過(guò)程中需要解決其節點(diǎn)間存在的相互干擾這一題目，以此進(jìn)步系統的可靠性。

二、 節點(diǎn)間的相互干擾對總線(xiàn)的影響

485總線(xiàn)上所有的下位機共享一個(gè)信號通道，這種物理結構增加了節點(diǎn)間的公共阻抗耦合，節點(diǎn)之間產(chǎn)生相互干擾，因此在很大程度上降低了系統的可靠性。

首先，變電站的變壓器、中控室以及輸電線(xiàn)都會(huì )通過(guò)輻射在四周的通訊線(xiàn)上感應出干擾電壓，我們在對485總線(xiàn)上某一節點(diǎn)A丈量時(shí)發(fā)現：

丈量結果顯示：節點(diǎn)間的電磁耦合對感應電壓的幅值及頻率都有很大影響。由于通訊線(xiàn)為雙絞線(xiàn)，兩根通訊線(xiàn)上的感應電壓可以為幅值及相位均相同的共模電壓。但是雙絞線(xiàn)的扭曲不可能完全一致，節距也不盡相等，所以線(xiàn)間會(huì )出現差模電壓。根據文獻[1]提供的丈量共模電壓累計概率分布圖及概率公式，計算出 共模電壓落進(jìn)差模電壓的概率為 ，而485驅動(dòng)/接收器接收到 的電壓時(shí)就會(huì )動(dòng)作。因此，節點(diǎn)間的相互干擾增加了共模電壓數值以及出現差模信號的比例，從而增大系統誤動(dòng)作的概率。

其次，變電站變壓器開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)將產(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng)。圖1、圖2為某500kV變電站隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，某控制信號線(xiàn)中感應出的暫態(tài)電壓電流波形。

圖 1 控制線(xiàn)中的暫態(tài)電壓

圖 2 控制線(xiàn)中的暫態(tài)電流

可以看出，變壓器四周或者與之相連節點(diǎn)的信號線(xiàn)上的瞬間感應電壓/電流均遠高于485驅動(dòng)/接收器的閾值電壓(12V)/電流(250mA)，因此，沒(méi)有良好的限壓裝置將燒毀節點(diǎn)的485驅動(dòng)/接收器，更危險的情況是，總線(xiàn)上其它的節點(diǎn)將通過(guò)公共回路的耦合，必然感應出相同幅值的高壓，使總線(xiàn)上所有的節點(diǎn)都受到影響。

最后，變電站室外通訊電纜屏蔽層會(huì )由于自然磨損、施工不當或惡意破壞等因素，出現兩根通訊線(xiàn)短接，致使總線(xiàn)上一直處于邏輯0的狀態(tài)。根據RS-485 協(xié)議，下位機把其解釋為一個(gè)新的數據起始位并且試圖讀取后續的數據位，由于永遠不會(huì )有停止位， 這便會(huì )產(chǎn)生一個(gè)幀錯誤結果，因此也就不會(huì )再有節點(diǎn)請求總線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò )將陷于癱瘓狀態(tài)。

三、 解決方法

盡管可以通過(guò)改善變電站現場(chǎng)工作環(huán)境，降低電磁污染，增加限壓裝置以及利用短路偏置等方法進(jìn)步RS-485總線(xiàn)的穩定性，但是，不從根本上往隔離出現故障的節點(diǎn)，整個(gè)總線(xiàn)系統都將無(wú)法工作，因此只有進(jìn)步總線(xiàn)自身的可靠性，才能保證系統穩定工作?；诖?，本文所提出的485 HUB 星型總線(xiàn)一方面從物理結構上完全隔離節點(diǎn)，同時(shí)還從軟件上進(jìn)步抗干擾能力，減少相互間干擾。

3.1 物理隔離

485 HUB中，采用與下位機數目相同的485驅動(dòng)/接收器，分別與所有節點(diǎn)逐一對應，各自獨立完本錢(qián)節點(diǎn)的發(fā)送/接收數據包的任務(wù)。首先，HUB上的單片機截獲上位機發(fā)送的數據包，進(jìn)行地址確認后，控制HUB中與這個(gè)地址節點(diǎn)相對應的485驅動(dòng)器輸出使能端，再將截獲的數據包原封不動(dòng)的發(fā)送給驅動(dòng)器，發(fā)送完成后，自動(dòng)將驅動(dòng)器轉換為接收器，等待下位機的反饋信息。HUB中其它485驅動(dòng)/接收器的使能端沒(méi)有受到控制指令，不改變狀態(tài)，只有選通的節點(diǎn)獨立通訊。

結構示意圖：

3.2 軟件設計

在程序中加進(jìn)信息的多重判定、自動(dòng)檢驗、系統運行狀態(tài)監視與發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)恢復等語(yǔ)句，一旦出現差模干擾導致的誤碼和亂碼，經(jīng)過(guò)程序辨別后，可以直接屏蔽。

為了防止干擾導致程序失控陷進(jìn)死循環(huán)，采用時(shí)間監視器Watchdog芯片Max813L，監控程序的運行以及單片機的電源供電。

軟件流程圖：

3.3 數據隔離

數據隔離的目的是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)，使現場(chǎng)執行裝置與上位控制主機保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。在485 HUB中，在反饋信息的回路中加進(jìn)高速光電耦合隔離器6N137，使夾雜在輸進(jìn)開(kāi)關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸出回路的一側。

使用485 HUB后，再次丈量相同位置的節點(diǎn)A，其丈量值如下表：

1. 從丈量值中可以看到，485 HUB中節點(diǎn)之間的干擾明顯減小，物理隔離保證了節點(diǎn)的獨立性。

2. 經(jīng)過(guò)試驗驗證，485 HUB中即使某節點(diǎn)發(fā)生短路故障，其它節點(diǎn)仍能正常工作。

3. 由于變電站的實(shí)際情況，本次測試沒(méi)有捕捉到變壓器開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)HUB真個(gè)感應電壓，但通過(guò)實(shí)驗室環(huán)境模擬，當高于驅動(dòng)器閾值的瞬態(tài)脈沖電壓出現在某路節點(diǎn)的通訊線(xiàn)上時(shí)，其它節點(diǎn)沒(méi)有受到干擾。

因此，485 HUB星型總線(xiàn)保證了當一路節點(diǎn)出現強電磁干擾或短路題目時(shí)，不會(huì )影響總線(xiàn)的其它節點(diǎn)，進(jìn)步了MTBCF ，降低了MTTR，系統的可靠性得到改善。

四、 結論

就其物理結構而言，這種485 HUB星型總線(xiàn)不同于傳統意義上的485總線(xiàn)，每個(gè)485驅動(dòng)/接收器并沒(méi)有實(shí)現一發(fā)多收的總線(xiàn)功能，而是以點(diǎn)對點(diǎn)的星型連接實(shí)現了485 HUB的功能，可以說(shuō)本方案中系統可靠性的進(jìn)步是以增加485驅動(dòng)/接收器的數目為代價(jià)的。但是，485 HUB結構簡(jiǎn)單，對工作環(huán)境要求不高，其高可靠性和穩定性特別適用于變電站這種遠程控制系統，因此就其性?xún)r(jià)比而言，超過(guò)了傳統的485總線(xiàn)。