高志國

(中原油田勘探研究設計院,河南濮陽 457001)

0 引 言

由于其物理結構,在化工企業(yè)復雜電磁環(huán)境的通信過程中需要解決節(jié)點間存在的相互干擾問題,以此提高系統(tǒng)的可靠性。

1 傳統(tǒng)RS-485總線型模式的弊端

現(xiàn)有的RS-485總線型接入模式,造成節(jié)點間的相互干擾對總線產(chǎn)生影響?？偩€上所有的下位機共享一個信號通道,這種物理結構增加了節(jié)點間的公共阻抗耦合,節(jié)點之間產(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,大功率的電氣設備及輸電線都會在附近的通信線上感應出干擾電壓,對RS-485總線上某一節(jié)點電壓進行測量的結果見表1所列。

表1 傳統(tǒng)型RS-485總線干擾電壓測量

從表1測量結果顯示:節(jié)點間的電磁耦合對感應電壓的幅值有很大影響。由于通信線為雙絞線,兩根通信線上的感應電壓可認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,所以線間會出現(xiàn)差模電壓。RS-485驅動/接收器接收到2.0 V電壓時就會動作。因此,節(jié)點間的相互干擾增加了共模電壓數(shù)值以及出現(xiàn)差模信號的比例,從而增大系統(tǒng)誤動作的概率。

其次,大功率電氣設備開關動作時將產(chǎn)生瞬變電磁場,附近或者與之相連節(jié)點的信號線上的瞬間感應電壓/電流均遠高于RS-485驅動/接收器的閾值電壓(12 V)/電流(250 mA),因此,沒有良好的限壓裝置將燒毀節(jié)點的驅動/接收器,更危險的情況是,總線上其他節(jié)點將通過公共回路的耦合,必然感應出相同幅值的高壓,使總線上所有的節(jié)點都受到影響。

最后,中控室外通信電纜屏蔽層會由于自然磨損、施工不當或惡意破壞等因素,出現(xiàn)兩根通信線短接,致使總線一直處于邏輯 0的狀態(tài)。根據(jù)RS-485協(xié)議,下位機把其解釋為一個新的數(shù)據(jù)起始位并且試圖讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)位,由于永遠不會有停止位,這便會產(chǎn)生一個幀錯誤檢測結果,因此也就不會再有節(jié)點請求總線,網(wǎng)絡將陷于癱瘓狀態(tài)。

2 RS-485 HUB星型總線的解決方法

盡管可以通過改善企業(yè)現(xiàn)場工作環(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提高RS-485總線的穩(wěn)定性,但是,沒有從根本上隔離出現(xiàn)故障的節(jié)點,整個總線系統(tǒng)都將無法工作,因此只有提高總線自身的可靠性,才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。基于此,該文所提出的RS-485 HUB星型總線一方面從物理結構上完全隔離節(jié)點,同時還從軟件上提高抗干擾能力,減少相互間干擾。

2.1 物理隔離

RS-485 HUB星型總線中,采用與下位機數(shù)目相同的RS-485驅動/接收器,分別與所有節(jié)點一一對應,各自獨立完成該節(jié)點的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的任務。首先,HUB上的單片機截獲上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包,進行地址確認后,控制 HUB中與這個地址節(jié)點相對應的 RS-485驅動器相應輸出端,再將截獲的數(shù)據(jù)包原封不動地發(fā)送給驅動器,發(fā)送完成后,自動將驅動器轉換為接收器,等待下位機的反饋信息。HUB中其他RS-485驅動/接收器的輸出端沒有收到控制指令,不改變狀態(tài),只有選通的節(jié)點獨立通信。結構示意如圖1所示。

圖1 RS-485 HUB星型結構示意

采用RS-485 HUB星型結構總線后電壓值測量見表2所列。

表2 RS-485 HUB星型結構總線干擾電壓測量

從表2電壓測量值中可以看到,RS-485 HUB中節(jié)點之間的干擾明顯減小,物理隔離保證了節(jié)點的獨立性。經(jīng)過試驗驗證,RS-485 HUB中即使某節(jié)點發(fā)生短路故障,其他節(jié)點仍能正常工作。因此,RS-485 HUB星型總線保證了當一路節(jié)點出現(xiàn)強電磁干擾或短路問題時,不會影響總線的其他節(jié)點,系統(tǒng)的可靠性得到改善。

2.2 軟件設計

在程序中加入信息的多重判斷、自動檢驗、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時的自動恢復等語句,一旦出現(xiàn)差模干擾導致的誤碼和亂碼,經(jīng)過程序辨別后可以直接屏蔽。為了防止干擾導致程序失控陷入死循環(huán),采用時間監(jiān)視器,監(jiān)控程序的運行以及單片機的電源供電。軟件流程如圖2所示。

圖2 RS-485 HUB軟件設計流程示意

3 結束語

RS-485 HUB星型總線不同于傳統(tǒng)意義上的RS-485總線,就其物理結構而言,每個RS-485驅動/接收器并沒有實現(xiàn)一發(fā)多收的總線功能,而是以點對點的星型連接實現(xiàn)了RS-485 HUB的功能,該方案中系統(tǒng)可靠性的提高是以增加RS-485驅動/接收器的數(shù)量為代價的。但是,RS-485HUB結構簡單,對工作環(huán)境要求不高,其高可靠性和穩(wěn)定性特別適用于化工企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)這種遠程控制系統(tǒng),因此就其性價比而言,超過了傳統(tǒng)的RS-485總線。RS-485 HUB星型總線已經(jīng)運用在一些化工企業(yè)遠程控制系統(tǒng)中,運行穩(wěn)定,抗干擾能力較以前有所提高,可以滿足現(xiàn)場要求,具有廣泛的應用前景。

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