RS485總線在工業現場應用中一種安全機制的實現

吳梅梅

（河北軟件職業技術學院 網絡工程系，河北 保定 071000）

0 引言

RS485總線是一種基于信號差分的傳輸總線，其采用負邏輯，+2V～+6V表示0，-6～-2V表示1，基于其傳輸距離遠、價格低廉、實現簡單等特點，在工業現場分布式系統中應用極其廣泛。

復雜的工業現場環境一般采用分布式系統。控制器和現場變送器傳輸距離較遠，一般情況下RS485總線系統節點其電源供電和信號總線統一從控制器走線，這樣就可以節約施工成本。本文提到的系統采用兩線制RS485總線，電源供電為集中供電方式，即從主控制器提供電源。此系統在施工和調試過程中會出現信號短接或者誤插信號線和電源線的狀況，容易導致系統端口燒毀甚至使系統癱瘓，從而增加了系統維護成本。基于此，本文提出了一種電源、信號隔離方案來解決上述問題。方案中現場變送器具有帶電插拔、防錯插拔、電源和信號線纜錯誤連接保護、防止戶外雷擊等特點，本方案配合可靠的軟件協議機制并在工程應用中得到了驗證。

1 系統組成

系統分為兩部分，即控制器和變送器。系統架構如圖1所示。控制器一般放置在中央控制室中，由工作人員隨時監控現場變送器運行工作狀態。圖中四路線纜分別為+24V、Ground、RS485-A、RS485-B。系統采用主從模式進行通信，即一個主機帶多個從機。

圖1 系統架構

2 系統架構

本文重點介紹變送器單元的電源、信號隔離方案以及RS485信號端口保護方法。在講述此方案之前先了解一下系統電路功能結構，圖2為變送器功能電路結構。

3 系統實現

上圖1-2中變送器單元主要由4～20mA信號調理電路、DC/DC電源隔離、信號隔離放大、RS485單元處理、顯示單元、地址設置單元、蜂鳴器聲光報警、看門狗電路、4～20mA輸出幾個單元組成。地址設置單元在系統中區別于其他變送器單元。

圖2 變送器功能電路結構

系統內部隔離方法的主要工作機理是通過DC/DC使電源供電部分隔離，信號部分也隔離。從而使圖中RS485接口、24V電源接口在錯誤連接的情況下不能夠形成回路，達到保護RS485接口芯片的效果。以下針對信號隔離和電源隔離部分的實現來介紹。

3.1 信號隔離

傳感器輸入單元微弱電壓信號然后通過信號放大調理成標準4～20mA電流信號，通過光電隔離放大器芯片HCNR201實現電氣的隔離。將4～20mA電流信號隔離后轉換為電壓信號，然后通過ADC轉換芯片由中央處理單元采集數據并處理，之后通過RS485發送。HCNR201芯片具有線形度好、精度高的特點。具體實現方法如圖3所示。

圖3 信號隔離

3.2 電源隔離

首先變送器從控制器單元獲取直流24V電源。為防止在生產過程和現場調試環節中由于電源供電信號線纜接反而燒壞后級電路，電路中增加了電橋功能，可自動做到電源線反向識別。具體實現方法如圖4所示。

圖4 電路隔離

3.3 RS485接口安全防護

由于工業現場環境比較復雜，存在雷擊的風險。因此在RS485接口對差分信號和共模信號進行了兩級信號保護。第一級信號D6、D7、D8使用防雷放電管實現，主要用于瞬時過壓保護，用它將感應雷擊產生的電壓限定在較低的水平，同時放電管被擊穿放電，其阻抗迅速下降，幾乎呈現短路狀態，此時，放電管將有害的電流通過大地線放掉，將電壓鉗位在較低的水平，當感應雷擊消失后，放電管又迅速恢復到高阻抗狀態。第二級使用TVS管實現。防雷管首先進行能量限制，然后TVS管D2、D3、D4進行第二級能力限制，將能量電壓限制6.8v，在RS485的信號輸入端共模輸入電壓范圍為-7～+12V。R2、R6選用大功率小阻抗的電阻（10歐姆1瓦）可以承受很大的瞬態功率，起到隔離一二級電路的功能，具體實現方法如圖5所示。

圖5 RS485接口安全防護

4 隔離分析

在現場安裝過程中有四根線纜需要和變送器單元進行線路連接。采用如圖1所述方案可以避免由于安裝錯誤造成燒毀系統的情況。從圖2可以看到虛線左右兩邊為不同的地，所以在接錯的情況下不會存在電流回路，從而起到保護電路的作用。但是存在另外一種情況，即當24V電源接到如圖5中RS485信號線上兩級信號保護電路時，F2和F4為壓敏電阻增大起到過流保護的作用，雙向TVS管和防雷放電管起到過壓保護的作用。同時電流信號會流到機殼保護地上，從而達到了保護后級RS485收發器的功能。

5 實驗

傳統的RS485分布式系統將信號線和電源線接錯會導致燒毀RS485收發器，甚至造成總線故障，使整個系統癱瘓。采用以上介紹的方案，即使在現場接錯線纜的情況下，也不會燒毀RS485收發器。從應用角度分析具有現實意義，并在產品中得到了驗證。為了方便區分，試驗中我們使用不同顏色的線纜。以下表格為具體試驗，針對4根線纜（兩根電源線、兩根信號線）采用組合方式分析，實驗結果如表1所示。

6 結束語

本文針對RS485總線在工業現場應用中存在的安全隱患，提出了自己的解決方案，即采用總線隔離和供電電源隔離方法，在實際應用中收到了很好的效果，大大提高了系統的穩定性，為產品維護節約了大量成本，具有一定現實意義。

［1］HCNR201數據手冊［Z］.http://www.home.agilent.com/.

［2］Max1487數據手冊［Z］.http://www.maxim-ic.com.

［3］瑜宗泉，瑜晗，李建民.MCS-51單片機原理與應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.