水厂用RS—485构成总线型多点数据采集系统的防雷
2016-01-19李柏坚
李柏坚
摘 要:RS-485组网非常适用于工业自动化中的远程控制。在将双绞线作为传输线构成RS-485总线网络时,常因雷电瞬变干扰而损坏器件。以水厂用RS-485构成总线型多点数据采集系统为例,通过对通信电缆的屏蔽、接地和等电位的连接,实现了对RS-485接口的防雷击和过压保护。
关键词:RS-485;总线;数据采集系统;过压保护
中图分类号:TP274+.2 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.100
1 概述
在数据通信、计算机网络和工业中的分布式控制系统中,经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前,有多种接口标准可用于串行通信,包括RS-232、RS-422、RS-423和RS-485。RS-232是最早的串行接口标准,在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用;之后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准,与RS-232非平衡的传送方式相比,在电气指标上有了大幅度的提升。
RS-485采用平衡发送和差分接收方式实现通信:在发送端,TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号,并分A,B两路输出;经传输后,在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于两条传输线通常使用双绞线,又是差分传输,因此具有极强的抗共模干扰能力;再加上接收器具有较高的灵敏度,能检测低达200 mV的电压,从而不仅使传输信号能在千米以外得到恢复,还使最大传输速率大大提高。当以10 Kbps速率传输数据时,传输距离可达12 km;而以100 Kbps速率传输时,传输距离可达1.2 km。可见,通过降低波特率,可进一步延长传输距离。另外,RS-485实现了多点互连,最多可达32台驱动器和32台接收器,便于多器件的连接,实现了半双工通信和全双工通信。
在构成RS-485总线网络时,常将双绞线作为传输线。传输线一般在室外架空或沿电缆沟敷设,因此,在雷雨季节,常雷电瞬变干扰而损坏器件。再者,由于RS-485的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构,即通常采用一条总线将各个节点串接起来,不支持环形或星形网络,因此,雷电引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485收发器损坏。由此可见,防雷措施是RS-485技术实际运用中必须考虑的问题,也是提高系统可靠性的十分重要的措施。
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就可能损坏器件。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,其电压高达数十千伏,可使工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损;而感应雷在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。
目前,市场上已经出现了一些RS-485芯片,通过在内部集成TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR,瞬变电压抑制二极管)的办法防过压瞬变。TVS的作用原理是:当管子两端受到瞬态能量的冲击时,TVS能将阻抗迅速降低,通过吸收能量,从而将管子两端的电压箝制在其标称值上,以保护后端的元件。受半导体工艺限制,集成到RS-485芯片上的TVS的功率较小,在受到雷击时,瞬态能量极易损坏内置的TVS;同时,瞬态电流产生的强磁场会使附近的其他电路产生高电压,即形成所谓的“反击”,造成电路损坏。集成在RS-485芯片上的TVS的主要功能是消除静电(不少厂商的规格书上已有详细介绍),而无法防雷击浪涌。
2 影响通讯速度和通信可靠性的因素
影响通讯速度和通信可靠性的因素主要有三个,即信号反射、信号衰减和纯阻性负载。
2.1 信号反射
在通信电缆中,导致信号反射的原因有两个,即阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续是指信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至为零,信号在此处就会发生反射。这种信号反射的原理与“光从一种媒介进入另一种媒介会发生反射”是相似的。要消除这种反射,就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的阻抗大小相同的终端电阻,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,在通讯电缆的另一端可跨接一个大小相同的终端电阻。从理论上分析,只要在传输电缆的末端跨接与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻,就再也不会出现信号反射现象。但是,在实际应用中,由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等的应用环境有关,特性阻抗不可能与终端电阻完全相同,因此,或多或少还会存在信号反射。引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。由此引起的信号反射主要表现为通讯线路处于空闲方式时,整个网络数据混乱。信号反射之所以会对数据传输产生影响,归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器,使接收器收到了错误的信号,导致CRC校验错误或整个数据帧错误。
2.2 信号衰减
在电缆传输过程中,信号衰减也会影响通讯速度和通信可靠性。我们可以将一条传输电缆看成由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路,电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻对信号的影响很小,可以忽略不计。信号的损失主要因LC低通滤波器(由电缆的分布电容和分布电感组成)引起。
2.3 纯阻性负载的大小
纯阻性负载(也称“直流负载”)的大小也会对通讯速度和通信可靠性造成影响。纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器组成。要在通信线路上串联避雷器,就必须及时处理好阻抗匹配问题。
3 工程案例
3.1 工程简介
笔者以所在公司负责施工的一个水厂的防雷工程为例,介绍由RS-485收发器组成的数据采集电路的防雷施工方案。该水厂由RS-485收发器组成的数据总线电路主要负责对全厂水管压力、流量,电动机电流、电压,水池水位等信息的采样,调度室通过工控机实时监视各项数据并记录。由于水厂占地面积广,各信息采集点分散,给防雷施工带来了一定困难。在整改前,笔者所在公司由于信息数据传输系统设计得不合理,每年因雷击造成的直接经济损失少则十多万元,多则几十万元,间接经济损失达三百多万元。为此,水厂要求笔者所在公司对其车间厂房作一次全面的防雷整改。接到任务后,笔者所在的公司立即对水厂进行了全面勘察。通过勘察,发现以下两方面的问题:①水厂地处空旷的河边,是雷击多发区。调度室作为水厂的指挥中心,楼面装有避雷针和微波天线,而且距离较近,曾因避雷针接闪,感应雷电流通过微波天线引下线被引入调度室,从而造成设备损坏。所有进出调度室的电源线、数据传输线、天馈线等均没有采取防雷电流入侵措施。②所有车间各自独立,没有做好电源线、数据传输线的屏蔽工作,通信端口缺少过电压保护装置,同时,没有作等电位连接。
3.2 整改方案
计算机房、数据通信防雷系统主要由外部防雷系统和内部防雷系统两部分组成。外部防雷系统又由避雷针(避雷带)、引下线和接地地网等组成;内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备,比如计算机及其通信端口、电话机、复印机、UPS、数据传输线及空调机等电子设备加装过电压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,保护装置能快速动作并将能量泄放,从而保护设备不受损坏。具体防雷要点有:①将调度室楼上的避雷针移至旁边另一建筑物的楼面上。增加高度可使微波天线处于防雷保护范围内。在调度室楼下新建一地网,与调度室基础相连接,供调度室设备接地用。由于采用的是共用接地系统,因此,接地电阻应低于1 Ω。各车间通过人工接地体相连接,且与建筑物基础焊接通,使整个水厂建筑物形成一个均压等电位接地体,防止由于电位差造成设备损坏。另外,要对没有做好屏蔽的电源线、数据传输线重新作屏蔽处理,所用设备就近接地,并对线槽中多余的备用线全部作接地处理。②安装电源避雷器。由于电源供电采用TN-C系统,而且大部分已作埋地处理,我们在总电房安装了三相电压开关型SPD,采用60 kA、10/350 μs作为第一级保护;在各车间电源引入端分别安装了三相电压限制型SPD,采用20 kA、8/20 μs作为第二级保护;各用电设备电源输入端分别安装了单相拖板式SPD,采用5 kA、8/20 μs作为第三级保护。以上SPD全部采用德国原装进口OBO避雷器。所有SPD要就近与地网连接,连接线要采用≥35 mm2的多股铜线,长度≤50 cm。③在RS-485总线接口安装避雷器,且必须要对全厂的电路有充分的了解。由于通信模块多采用并联方式工作,而总线对阻抗有严格的要求,一旦阻抗不匹配,会造成整个系统工作不稳定,甚至不能工作。因此,在选择SPD时要谨慎。笔者所在的公司经过多次实地测试,比较了多个牌子的SPD,最后采用OBO双口SPD,要求两线之间的钳位电压为12 V,线与地之间的钳位电压为24 V,通流量为5 kA、8/20 μs,以串联方式连接。考虑到阻抗匹配问题,应选用串联电阻的SPD。经实际测试,如果采用串联电感的SPD,由于电感对电流反应相对滞后,从而引起通信脉冲波形失真,严重时甚至会造成通信中断。必要时,可采用并联电阻补偿、RC补偿、并联二极管补偿等方法来调整总线的阻抗,从而保证系统的正常工作。④对全厂的电话线、微波馈线、PLC通信线分别安装相应的SPD,以实现对全厂设备的保护。
4 结论
通过以上整改,水厂的设备全部得到了比较好的防雷保护,从而确保设备免受雷击造成的损坏,并顺利通过了由防雷所、市自来水公司、水厂组成的三方联合验收。通过3年多的运行,水厂再没有因雷击而出现设备损坏,得到了上级领导的赞扬和肯定。之后,笔者所在公司先后多次参加了自来水公司多个项目的防雷整改,都取得较好的成绩和经济效益。
参考文献
[1]王东平.低功率转换数率限定的RS-485/RS-422收发器[J].电子技术,1995(7).
[2]孙涵芳,徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.
〔编辑:刘晓芳〕