具有高可靠性的485 Hub星型總線是什么樣的？

一、 概述

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

二、 節(jié)點(diǎn)間的相互干擾對(duì)總線的影響

485總線上所有的下位機(jī)共享一個(gè)信號(hào)通道，這種物理結(jié)構(gòu)增加了節(jié)點(diǎn)間的公共阻抗耦合，節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生相互干擾，因此在很大程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

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

丈量結(jié)果顯示：節(jié)點(diǎn)間的電磁耦合對(duì)感應(yīng)電壓的幅值及頻率都有很大影響。由于通訊線為雙絞線，兩根通訊線上的感應(yīng)電壓可以為幅值及相位均相同的共模電壓。但是雙絞線的扭曲不可能完全一致，節(jié)距也不盡相等，所以線間會(huì)出現(xiàn)差模電壓。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的丈量共模電壓累計(jì)概率分布圖及概率公式，計(jì)算出 共模電壓落進(jìn)差模電壓的概率為 ，而485驅(qū)動(dòng)/接收器接收到 的電壓時(shí)就會(huì)動(dòng)作。因此，節(jié)點(diǎn)間的相互干擾增加了共模電壓數(shù)值以及出現(xiàn)差模信號(hào)的比例，從而增大系統(tǒng)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(hào)線中感應(yīng)出的暫態(tài)電壓電流波形。

圖 1 控制線中的暫態(tài)電壓

圖 2 控制線中的暫態(tài)電流

可以看出，變壓器四周或者與之相連節(jié)點(diǎn)的信號(hào)線上的瞬間感應(yīng)電壓/電流均遠(yuǎn)高于485驅(qū)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(jié)點(diǎn)的485驅(qū)動(dòng)/接收器，更危險(xiǎn)的情況是，總線上其它的節(jié)點(diǎn)將通過(guò)公共回路的耦合，必然感應(yīng)出相同幅值的高壓，使總線上所有的節(jié)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(dāng)或惡意破壞等因素，出現(xiàn)兩根通訊線短接，致使總線上一直處于邏輯0的狀態(tài)。根據(jù)RS-485 協(xié)議，下位機(jī)把其解釋為一個(gè)新的數(shù)據(jù)起始位并且試圖讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)位，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位， 這便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果，因此也就不會(huì)再有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求總線，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(xiàn)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總線的穩(wěn)定性，但是，不從根本上往隔離出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)總線系統(tǒng)都將無(wú)法工作，因此只有進(jìn)步總線自身的可靠性，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。基于此，本文所提出的485 HUB 星型總線一方面從物理結(jié)構(gòu)上完全隔離節(jié)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(jī)數(shù)目相同的485驅(qū)動(dòng)/接收器，分別與所有節(jié)點(diǎn)逐一對(duì)應(yīng)，各自獨(dú)立完本錢(qián)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的任務(wù)。首先，HUB上的單片機(jī)截獲上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行地址確認(rèn)后，控制HUB中與這個(gè)地址節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的485驅(qū)動(dòng)器輸出使能端，再將截獲的數(shù)據(jù)包原封不動(dòng)的發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，發(fā)送完成后，自動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為接收器，等待下位機(jī)的反饋信息。HUB中其它485驅(qū)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(jié)點(diǎn)獨(dú)立通訊。

結(jié)構(gòu)示意圖：

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在程序中加進(jìn)信息的多重判定、自動(dòng)檢驗(yàn)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)等語(yǔ)句，一旦出現(xiàn)差模干擾導(dǎo)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(dǎo)致程序失控陷進(jìn)死循環(huán)，采用時(shí)間監(jiān)視器Watchdog芯片Max813L，監(jiān)控程序的運(yùn)行以及單片機(jī)的電源供電。

軟件流程圖：

3.3 數(shù)據(jù)隔離

數(shù)據(jù)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(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行裝置與上位控制主機(jī)保持信號(hào)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(cè)。

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

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

2. 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，485 HUB中即使某節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障，其它節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。

3. 由于變電站的實(shí)際情況，本次測(cè)試沒(méi)有捕捉到變壓器開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)HUB真?zhèn)€感應(yīng)電壓，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬，當(dāng)高于驅(qū)動(dòng)器閾值的瞬態(tài)脈沖電壓出現(xiàn)在某路節(jié)點(diǎn)的通訊線上時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)沒(méi)有受到干擾。

因此，485 HUB星型總線保證了當(dāng)一路節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾或短路題目時(shí)，不會(huì)影響總線的其它節(jié)點(diǎn)，進(jìn)步了MTBCF ，降低了MTTR，系統(tǒng)的可靠性得到改善。

四、 結(jié)論

就其物理結(jié)構(gòu)而言，這種485 HUB星型總線不同于傳統(tǒng)意義上的485總線，每個(gè)485驅(qū)動(dòng)/接收器并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收的總線功能，而是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的星型連接實(shí)現(xiàn)了485 HUB的功能，可以說(shuō)本方案中系統(tǒng)可靠性的進(jìn)步是以增加485驅(qū)動(dòng)/接收器的數(shù)目為代價(jià)的。但是，485 HUB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)工作環(huán)境要求不高，其高可靠性和穩(wěn)定性特別適用于變電站這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，因此就其性?xún)r(jià)比而言，超過(guò)了傳統(tǒng)的485總線。