基于現場總線的網絡故障分析

摘 要:現場總線是用于過程控制現場儀表與控制室之間的一個標準的、開放的、雙向的多站數字通信系統。本文介紹了變電站綜合自動化系統中常用的兩種現場總線:CAN(Controller Area Network控制器局域網)、LonWorks(Local Operation Network局部操作網)。。詳細分析了基于RS-485現場總線網絡的故障查找與排除方法。

關鍵詞:現場總線 RS-485 Lonworks CAN

中圖分類號:TM63文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(a)-0052-01

1 Lonworks與CAN網現場總線

現場總線(Fieldbus)是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。它不但是一個基層網絡，還是一種開放式、新型全分布控制系統。開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。由于其網絡結構簡單、容錯性能強、安全性高、成本低等特點，目前已經成為眾多自動化系統廠商開發熱點。

1.1 CAN((Controller Area Network)現場總線

CAN的網絡設計選用了符合ISO/OSI網絡標準模型，包括:物理層、數據鏈路層和應用層三個結構模型。網絡的物理層和鏈路層的功能由CAN接口器件完成，而應用層的功能是由處理器來完成。

1.2 Lonworks(Local Operation Network)現場總線

LonWorks采用了與OSI參考模型相似的7層協議結構，其技術的核心具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現完整的LonWorks的LonTalk通信協議，節點間可以對等通信。LonWorks通信速率為78K bit/s～1.25M bit/s，支持很多種物理介質:包括雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線載波及無線通信等;而且還支持多種拓撲結構，組網比較靈活。依照RS485規范，為了限制和確保電氣反射和可靠的通訊，所有設備必須連接成總線拓撲結構。

2 RS-485與現場總線的本質區別

RS-485是串行數據接口標準，由電子工業協會(EIA)制訂并發布的，它是在RS-422基礎上制定的標準，RS-485標準采用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線，具體規格要求:接收器的輸入電阻Rin≥12kΩ;驅動器能輸出±7V的共模電壓;輸入端的電容≤50pF;在節點數為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1．5V(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數有關);接收器的輸入靈敏度為200mV(即(V+)一(V一)≥0．2V，表示信號“0”;(V+)一(V一)≤一0．2V，表示信號“l”)因為RS-485的遠距離、多節點以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業應用中數據傳輸的首選標準。

而現場總線設備自動成網，無主/從設備之分或允許多主存在。在同一個層次上不同廠家的產品可以互換，設備之間具有互操作性。目前變電站綜合自動化系統網絡中的現場總線大多都是基于RS485技術形成的，數據處理時必須進行數據轉換。

3 基于RS-485現場總線變電站網絡的故障查找與排除

在變電站綜合自動化系統現場中，RS-485總線應用的非常的廣泛，但是RS-485總線比較容易出現故障。以下是本人根據多年現場工作實際，簡單介紹綜合自動化系統變電站RS-485通信總線組網范圍，并列舉一二缺陷，簡單說明幾點RS-485總線布線注意事項及故障排除方法。變電站RS-485總線典型缺陷分析及處理方法。

⑴缺陷一:2007年6月XX220kV變電站2#主變保護裝置PST1200等部分國電南自裝置通信中斷

現場檢查發現，所有報通信中斷的設備掛接在一根RS-485總線上，該總線直接接在保護管理機的一個獨立串口上。經測試，保護管理機串口電平正常，且通信線纜完好無損。經分析可能是由于此通信總線上某個裝置串口異常導致。

處理過程:采用排除法進行查找，即依次將此總線上的每個裝置依次隔離，看通訊是否恢復正常來判斷故障點。最終發現2#主變保護裝置PST1200串口損壞導致此總線匹配電阻增大導致所有裝置通訊中斷，將其更換后此總線所有裝置通信正常。

⑵缺陷二:2009年4月XX220kV變電站35kVI母所有裝置頻繁通信中斷/恢復

現場檢查發現，35kVI母所有裝置通過一跟RS-485總線與保護管理機通信，經測試發現總線上電壓異常跳變，進一步發現該總線屏蔽地線未接地，經分析可能存在干擾。

處理過程:將此總線所有裝置通訊線屏蔽地連接且在總線末端一點接地后通信正常。

綜合以上情況，RS-485通信總線故障一般表現為同一總線單個或多個或所有裝置通信中斷，或為一串總線上所有裝置通信時通時斷。以下簡單總結幾點基于RS-485現場總線變電站網絡的故障查找與排除。

①由于RS-485信號使用的是一對不平衡差分信號，意味RS-485網絡中的每一個設備都必須通過一個信號回路連接到地，以減少數據線上的噪音，因此數據線最好由屏蔽雙絞線組成，將RS-485網絡中RS-485設備連接起來，并且在一個點用屏蔽層可靠接地。

②由于在工業現場中情況復雜多樣，各個節點之間存在很高的共模電壓，RS-485接口使用的是差分傳輸方式，具有抗共模干擾的能力，但當共模電壓大于+12V或者小于-9V時，超過RS-485接收器的極限接收電壓，接收器無法工作，甚至可能燒毀芯片和設備。可以在RS-485總線中使用RS-485光電隔離中繼器，將RS-485信號及電源完全隔離，消除共模電壓的影響。

③RS-485總線隨著傳輸距離的延長，會產生回波反射信號，如果RS-485總線的傳輸距離如超過100m，建議施工時在RS-485通訊的開始端和結束端加裝120歐姆的終端電阻。

4 結語

數據通信在變電站自動化中占有很重要的角色，保證數據通訊的速度、質量、抗干擾能力，成為實際運行中力求做到的目標。本文分析了基于現場總線的變電站自動化系統中的數據通信，介紹了變電站綜合自動化系統中常用的兩種現場總線:CAN和LonWorks。詳細分析了基于RS-RS-485現場總線網絡的故障查找與排除方法。

參考文獻

[1]鄔寬明．CAN總線原理與應用系統設計．北京:北京航空航天大學出版社，19962

[2]陽憲惠．現場總線技術及其應用．北京:清華大學出版社，1999