太浦闸监控系统现场总线通信网络可靠性研究

邹爱平，迮振荣，晋成凤，吕国芳

（1.太湖流域管理局 苏州管理局，江苏 苏州 215011；2.河海大学 能源与电气学院 江苏 南京 211100）

太浦闸作为太湖流域的重要控制性工程之一[1]，为满足该流域的防洪调度和水资源管理等需要，利用先进的计算机技术、通信网络技术及自动化监控技术组成水利工程监控网络，对水闸工程进行准确、可靠、实时的控制和监测，为工程实时调度及安全运行提供依据，并将运行的结果发布到互联网上，方便上级部门查询分析，做出宏观调控。

针对该水利工程监控网络系统的LCU（现场控制单元）出现的问题进行分析，并提出了采用RS485集线器实现监控系统现场总线通信网络设计方案。

1 LCU及其存在的问题

监控系统的现场控制单元采用2台西门子S7-300系列可编程控制器 （PLC），通过RS-485总线分别对1#～15#和16#～29#闸门开度、上下游水位进行数据采集并传至工控机，对数据进行实时处理。这2台PLC安装在中控室，闸门全部在中控室的一侧，按其离中控室的远近编号为1～29#，其中15#闸门距离中控室约100 m，29#闸门距离中控室约180 m。上下游水位传感器在中控室的另外两个方向上，距离中控室约485 m、300 m。其通信总线组网如图1所示。

图1 LCU RS-485组网Fig.1 LCU RS-485 network

当初在组网时，打算用总线将闸门开度传感器和上下游水位传感器串接在一起的，但是考虑到铺设电缆的不方便和串接节后，其总线长度超过了1 200 m，此距离超过了RS485总线的最大传输距离。由此，采用星型接法，经过现场调试，可以正常运行。系统稳定运行5年后，出现了在雷雨季节，有时会受到雷电袭击，造成中控室2号PLC偶尔接收不到上下游水位信息，甚至有时会造成通信模块的损坏。

2 问题原因分析

根据现场的勘测与分析，可能导致通信故障的原因：网络拓扑结构不合理、总线特性阻抗的连续性不好、系统保护措施不够[2]。

2.1 网络拓扑结构

RS-485支持32个节点，多节点构成网络[3-4]。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图2所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a、b、c）和正确的连接方式（d、e、f）。 a、b、c 这 3 种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率情况下，仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。

图2 总线拓扑结构Fig.2 Bus topology

上述系统中2号PLC通信网络正是采用了星型接法，这种接法虽然在低速率下可以正常运行，但是其稳定性和可靠性不高，这是系统出现问题的一个原因。

2.2 阻抗连续性

在通信过程中，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通信电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。

RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300 m下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。

2.3 系统保护措施

RS-485收发器采用平衡发送和差分接收[5-6],即在发送端,驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端,接收器将差分信号转换成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力。但RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许范围为（-7～12）V，超过此范围的过压瞬变可能会损坏器件。引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等,例如人体接触芯片的引脚而产生静电放电，其电压可以高达数千伏，可以使工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损；而雷电感应在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量更可在瞬间烧毁连接在传输线上的全部器件。

由于网络的远端距离中控室400 m左右，一旦发生强电，雷电干扰，极其容易导致系统运行不正常，严重时，会损毁设备。

3 解决方案

针对以上3个可能的问题，采用TD-1204型RS-485集线器来对系统进行改造。

3.1 RS-485集线器

TD-1204是一款4口RS-485集线器 （又称RS-485总线分割集中器，RS-485HUB），是深圳市天地华杰科技有限公司为了解决复杂电磁场环境下RS-485总线大系统中星型布线而专业设计的。该RS-485集线器采用双向透明传输，能够把一路RS-485或一路RS-232总线分割为4路RS-485总线，或者把4路RS-485信号汇集到一路RS-485或一路RS-232总线，并且每个端口都独立具有光隔、短路、开路、防雷防浪涌保护功能。在系统发生故障时，内置的控制器能够及时地切断有故障的端口。使RS-485集线器保证每一端口都起到独立工作，达到互不干扰的效果。每个端口可同时连接32个接点，可延长1 200 m RS-485信号，是改变RS-485总线布线中单一结构的最好选择。

3.2 网络改造

采用RS-485集线器，利用集线器对2号PLC通信网络进行改造，将闸门做为一路，上下游水位传感器各做一路，利用TD-1204 RS-485集线器把这3路RS-485信号汇集到一路RS-485总线上，连接到PLC。RS-485是不支持星型接法的，这里通过插入RS-485集线器，将1路总线转化成3路，从而实现了总线的星型接法。并在总线的终端和RS-485集线器都进行了阻抗的匹配，匹配电阻值为120 Ω。其接法如图3所示。

图3 改造后的RS-485网络Fig.3 RS-485 network of transformation

根据系统存在的问题，采用RS-485集线器来实现星型接法，使网络拓扑结构合理，并通过其光电隔离的防雷的功能，来加强系统的保护，同时在总线的终端串接电阻来改善总线特性阻抗的连续性，来对原有现场总线通信网络进行改造。改造后系统运行稳定可靠，效果良好。

4 结束语

本文针对太浦闸监控系统现场控制单元通信网络存在的问题，进行了实践经验总结和理论分析，提出了基于RS-485集线器支持星型接法和光电隔离的防雷的功能，对原有通信网络进行改造，解决了原有网络存在星型接法不合理和没有防雷保护等因素导致系统运行出现异常的问题。系统经过长时间稳定可靠的运行，证明本改造方案合理且切实可行。

[1]吕国芳，张小平，徐金龙.太浦闸监控系统与远程传输网络[J].水电自动化与大坝监测，2006，30(5)：73-76.LV Guo-fang，ZHANG Xiao-ping,XU Jin-long.Monitoring and control system and remote transmission network of Taipu sluice [J].Hydropower Automation and Dam Monitoring,2006，30（5）:73-76.

[2]许燕萍，杨代华.RS485串行总线可靠性的研究[J].电子科技，2009（2）：9-10.XU Yan-ping,YANG Dai-hua.Analysis of the reliability of bus RS485[J].Electronic Science and Technology,2009（2）:9-10.

[3]宋华锋.提高RS485总线通信可靠性的措施 [J].硅谷，2008（9）：15.SONG Hua-feng.The methods of improving the reliability in RS485 bus communication[J].Silicon Valley,2008（9）:15.

[4]张欣，李爱军，单鹏.RS485电路的匹配和保护性设计研究[J].航空计算技术，2007（5）：9-10.ZHANG Xin,LI Ai-jun,SHAN Peng.Design and research on RS485 matching and protection approaches[J].Aeronautical Computing Technique,2007（5）:9-10.

[5]周有利.RS485总线的使用和解决方案探讨 [J].电脑知识与技术，2009（5）：1242-1243.ZHOU You-li.RS485 bus use and to explore solutions[J].Computer Knowledge and Technology,2009（5）:1242-1243.

[6]刘晓清,杨梅.基于RS485的PLC集散控制系统的通信设计[J].北京印刷学院学报，2008（4）：52-55.LIU Xiao-qing,YANG Mei.Communication design of PLC s distributed control system based on RS485[J].Journal of Beijing Institute of Graphic Communication,2008（4）:52-55.