如何提高應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)RS485總線的穩(wěn)定性和可靠性

在當(dāng)今信息通訊高速發(fā)展的階段，人們?cè)诔浞窒硎芫W(wǎng)絡(luò)給人類帶來的喜悅。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展，使得各種控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化成為可能。自動(dòng)化監(jiān)控、安全防護(hù)、門禁考勤及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)得到迅速普及和應(yīng)用。在工業(yè)控制設(shè)備之間中長距離通信的諸多方案中，RS-485系統(tǒng)總線因硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水利自動(dòng)測(cè)控等領(lǐng)域，隨著RS485總線系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，RS485總線系統(tǒng)也越來越大，RS485總線外掛的485設(shè)備越來越多，從而導(dǎo)致485總線的穩(wěn)定性越來越差。現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有可以負(fù)載128，256臺(tái)甚至400臺(tái)485設(shè)備的轉(zhuǎn)換器，由于485總線使用總線連接形式，形成如果有一個(gè)485設(shè)備出現(xiàn)問題，就導(dǎo)致整個(gè)485總線出現(xiàn)問題的現(xiàn)象。所以從485總線的穩(wěn)定性來說，當(dāng)設(shè)備達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，從概率上分析，假設(shè)485總線上的485設(shè)備的無差錯(cuò)時(shí)間為99.9％，當(dāng)有128個(gè)485設(shè)備在一個(gè)總線上時(shí)，其無差錯(cuò)時(shí)間就是99.9％的128次方，其無差錯(cuò)時(shí)間訊速降為87.98％，再有RS-485總線在抗干擾、自適應(yīng)、通信效率等方面仍存在缺陷，一些細(xì)節(jié)的處理不當(dāng)常會(huì)導(dǎo)致通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性至關(guān)重要。

現(xiàn)在將485總線容易出現(xiàn)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(hào)使用的是一對(duì)非平衡差分信號(hào)，意味485網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都必須通過一個(gè)信號(hào)回路連接到地，以減少數(shù)據(jù)線上的噪音，所以數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中485設(shè)備連接起來，并且在一個(gè)點(diǎn)可靠接地。對(duì)于由分散式工業(yè)控制設(shè)備結(jié)合RS-485微系統(tǒng)組建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各微系統(tǒng)獨(dú)立供電方案，最好不要采用一臺(tái)大電源給微系統(tǒng)并聯(lián)供電，同時(shí)電源線（交直流）不能與RS-485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。RS-485信號(hào)線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。對(duì)于每個(gè)小容量直流電源選用線性電源比選用開關(guān)電源更合適。

二、在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)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(dāng)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(shí)，接收器就再也無法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統(tǒng)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(gòu)筑電路；通過光耦將信號(hào)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(duì)其分散式控制系統(tǒng)與總線之間應(yīng)加以隔離。通常在二線口與總線之間各串接一個(gè)485隔離器

三、485總線隨著傳輸距離的延長，會(huì)產(chǎn)生回波反射信號(hào)，如果485總線的傳輸距離如果超過100米建議施工時(shí)在485通訊的開始端和結(jié)束端120歐姆的終端電阻。位于總線兩端的差分端口之間應(yīng)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(yán)格的系統(tǒng)

四、485總線中485節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，影響485通信質(zhì)量。如果在施工過程中必須要求485節(jié)點(diǎn)離485總線主干的距離超過一定距離，建議使用485中繼器進(jìn)行信號(hào)延長處理。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS-485芯片驅(qū)動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，實(shí)際使用時(shí)，因線纜長度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)均達(dá)不到理論值。工作可靠性明顯下降。通常推薦節(jié)點(diǎn)數(shù)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(nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、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(yīng)考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。節(jié)點(diǎn)與主干距離，理論上講，RS-485節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)采用T型，連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)匹配并無太大影響，可放心使用，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)間距非常小（小于1m，如LED模塊組合屏）應(yīng)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(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，因此主機(jī)（PC）應(yīng)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(fù)載能力的因素：通訊距離，線材的品質(zhì)，波特率，轉(zhuǎn)換器供電能力，485設(shè)備的防雷保護(hù)，485芯片的選擇。如果485總線上的485設(shè)備比較多的話，建議使用帶有電源的485轉(zhuǎn)換器，無源型的485轉(zhuǎn)換器由于時(shí)從串口竊電，供電能力不是很足，負(fù)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(fù)載能力的485芯片，都可以提高485總線的負(fù)載能力。485設(shè)備的防雷保護(hù)中的防雷管會(huì)吸收電壓，導(dǎo)致485總線負(fù)載能力降低，去掉防雷保護(hù)可以提高485總線負(fù)載能力。如果在現(xiàn)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集線器來提供485總線的負(fù)載能力

六、提高RS-485通信效率，RS-485通常應(yīng)用于一對(duì)多點(diǎn)的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)中，相對(duì)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(xié)議及控制方式非常重要?？偩€穩(wěn)態(tài)控制（握手信號(hào)）大多數(shù)使用者選擇在數(shù)據(jù)發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)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(zhuǎn)入接收狀態(tài)。據(jù)筆者使用TC端的延時(shí)有4個(gè)機(jī)器周期已滿足要求；為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字，慣用的數(shù)據(jù)包格式由引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、尾碼組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包長度達(dá)20～30字節(jié)。在RS-485系統(tǒng)中這樣的協(xié)議不太簡(jiǎn)練。推薦用戶使用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議已廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中。

七、RS-485系統(tǒng)的故障處理方法

RS-485是一種低成本、易操作的通信系統(tǒng)，但是穩(wěn)定性弱同時(shí)相互牽制性強(qiáng)，通常有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)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(hù)RS-485的常用方法。

1、若出現(xiàn)系統(tǒng)完全癱瘓，大多因?yàn)槟彻?jié)點(diǎn)芯片的VA、VB對(duì)電源擊穿，使用萬用表測(cè)VA、VB間差模電壓為零，而對(duì)地的共模電壓大于3V，此時(shí)可通過測(cè)共模電壓大小來排查，共模電壓越大說明離故障點(diǎn)越近，反之越遠(yuǎn)；

2、總線連續(xù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)不能正常工作。一般是由其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的。一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致鄰近的2～3個(gè)節(jié)點(diǎn)（一般為后續(xù)）無法通信，因此將其逐一與總線脫離，如某節(jié)點(diǎn)脫離后總線能恢復(fù)正常，說明該節(jié)點(diǎn)故障；

3、集中供電的RS-485系統(tǒng)在上電時(shí)常常出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對(duì)RS-485的收發(fā)控制端TC設(shè)計(jì)不合理，造成微系統(tǒng)上電時(shí)節(jié)點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)混亂從而導(dǎo)致總線堵塞。改進(jìn)的方法是將各微系統(tǒng)加裝電源開關(guān)然后分別上電，或者采用電源隔離做法。

4、系統(tǒng)基本正常但偶爾會(huì)出現(xiàn)通信失敗。一般是由于網(wǎng)絡(luò)施工不合理導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性處于臨界狀態(tài)，最好改變走線或增加中繼模塊。應(yīng)急方法之一是將出現(xiàn)失敗的節(jié)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(tǒng)故障導(dǎo)致TC端處于長發(fā)狀態(tài)而將總線拉死一片。提醒讀者不要忘記對(duì)TC端的檢查。盡管RS-485規(guī)定差模電壓大于200mV即能正常工作。但實(shí)際測(cè)量：一個(gè)運(yùn)行良好的系統(tǒng)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(nèi)）。