太浦閘監控系統現場總線通信網絡可靠性研究

鄒愛平，迮振榮，晉成鳳，呂國芳

（1.太湖流域管理局 蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011；2.河海大學 能源與電氣學院 江蘇 南京 211100）

太浦閘作為太湖流域的重要控制性工程之一[1]，為滿足該流域的防洪調度和水資源管理等需要，利用先進的計算機技術、通信網絡技術及自動化監控技術組成水利工程監控網絡，對水閘工程進行準確、可靠、實時的控制和監測，為工程實時調度及安全運行提供依據，并將運行的結果發布到互聯網上，方便上級部門查詢分析，做出宏觀調控。

針對該水利工程監控網絡系統的LCU（現場控制單元）出現的問題進行分析，并提出了采用RS485集線器實現監控系統現場總線通信網絡設計方案。

1 LCU及其存在的問題

監控系統的現場控制單元采用2臺西門子S7-300系列可編程控制器 （PLC），通過RS-485總線分別對1#～15#和16#～29#閘門開度、上下游水位進行數據采集并傳至工控機，對數據進行實時處理。這2臺PLC安裝在中控室，閘門全部在中控室的一側，按其離中控室的遠近編號為1～29#，其中15#閘門距離中控室約100 m，29#閘門距離中控室約180 m。上下游水位傳感器在中控室的另外兩個方向上，距離中控室約485 m、300 m。其通信總線組網如圖1所示。

圖1 LCU RS-485組網Fig.1 LCU RS-485 network

當初在組網時，打算用總線將閘門開度傳感器和上下游水位傳感器串接在一起的，但是考慮到鋪設電纜的不方便和串接節后，其總線長度超過了1 200 m，此距離超過了RS485總線的最大傳輸距離。由此，采用星型接法，經過現場調試，可以正常運行。系統穩定運行5年后，出現了在雷雨季節，有時會受到雷電襲擊，造成中控室2號PLC偶爾接收不到上下游水位信息，甚至有時會造成通信模塊的損壞。

2 問題原因分析

根據現場的勘測與分析，可能導致通信故障的原因：網絡拓撲結構不合理、總線特性阻抗的連續性不好、系統保護措施不夠[2]。

2.1 網絡拓撲結構

RS-485支持32個節點，多節點構成網絡[3-4]。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環形或星形網絡。在構建網絡時，應注意如下幾點：采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節點串接起來，從總線到每個節點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。圖2所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式（a、b、c）和正確的連接方式（d、e、f）。 a、b、c 這 3 種網絡連接盡管不正確，在短距離、低速率情況下，仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質量下降。

圖2 總線拓撲結構Fig.2 Bus topology

上述系統中2號PLC通信網絡正是采用了星型接法，這種接法雖然在低速率下可以正常運行，但是其穩定性和可靠性不高，這是系統出現問題的一個原因。

2.2 阻抗連續性

在通信過程中，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。這種信號反射的原理與光從一種媒質進入另一種媒質要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻。

RS-485需要2個終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300 m下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。

2.3 系統保護措施

RS-485收發器采用平衡發送和差分接收[5-6],即在發送端,驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端,接收器將差分信號轉換成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力。但RS-485接收器差分輸入端對“地”的共模電壓允許范圍為（-7～12）V，超過此范圍的過壓瞬變可能會損壞器件。引起過壓瞬變的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統開關干擾等,例如人體接觸芯片的引腳而產生靜電放電，其電壓可以高達數千伏，可以使工作中的器件產生閉鎖而不能運行或使器件受損；而雷電感應在RS-485傳輸線上引起的瞬變干擾，其能量更可在瞬間燒毀連接在傳輸線上的全部器件。

由于網絡的遠端距離中控室400 m左右，一旦發生強電，雷電干擾，極其容易導致系統運行不正常，嚴重時，會損毀設備。

3 解決方案

針對以上3個可能的問題，采用TD-1204型RS-485集線器來對系統進行改造。

3.1 RS-485集線器

TD-1204是一款4口RS-485集線器 （又稱RS-485總線分割集中器，RS-485HUB），是深圳市天地華杰科技有限公司為了解決復雜電磁場環境下RS-485總線大系統中星型布線而專業設計的。該RS-485集線器采用雙向透明傳輸，能夠把一路RS-485或一路RS-232總線分割為4路RS-485總線，或者把4路RS-485信號匯集到一路RS-485或一路RS-232總線，并且每個端口都獨立具有光隔、短路、開路、防雷防浪涌保護功能。在系統發生故障時，內置的控制器能夠及時地切斷有故障的端口。使RS-485集線器保證每一端口都起到獨立工作，達到互不干擾的效果。每個端口可同時連接32個接點，可延長1 200 m RS-485信號，是改變RS-485總線布線中單一結構的最好選擇。

3.2 網絡改造

采用RS-485集線器，利用集線器對2號PLC通信網絡進行改造，將閘門做為一路，上下游水位傳感器各做一路，利用TD-1204 RS-485集線器把這3路RS-485信號匯集到一路RS-485總線上，連接到PLC。RS-485是不支持星型接法的，這里通過插入RS-485集線器，將1路總線轉化成3路，從而實現了總線的星型接法。并在總線的終端和RS-485集線器都進行了阻抗的匹配，匹配電阻值為120 Ω。其接法如圖3所示。

圖3 改造后的RS-485網絡Fig.3 RS-485 network of transformation

根據系統存在的問題，采用RS-485集線器來實現星型接法，使網絡拓撲結構合理，并通過其光電隔離的防雷的功能，來加強系統的保護，同時在總線的終端串接電阻來改善總線特性阻抗的連續性，來對原有現場總線通信網絡進行改造。改造后系統運行穩定可靠，效果良好。

4 結束語

本文針對太浦閘監控系統現場控制單元通信網絡存在的問題，進行了實踐經驗總結和理論分析，提出了基于RS-485集線器支持星型接法和光電隔離的防雷的功能，對原有通信網絡進行改造，解決了原有網絡存在星型接法不合理和沒有防雷保護等因素導致系統運行出現異常的問題。系統經過長時間穩定可靠的運行，證明本改造方案合理且切實可行。

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