水廠用RS—485構(gòu)成總線型多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的防雷

李柏堅

摘 要：RS-485組網(wǎng)非常適用于工業(yè)自動化中的遠程控制。在將雙絞線作為傳輸線構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)絡時，常因雷電瞬變干擾而損壞器件。以水廠用RS-485構(gòu)成總線型多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，通過對通信電纜的屏蔽、接地和等電位的連接，實現(xiàn)了對RS-485接口的防雷擊和過壓保護。

關鍵詞：RS-485；總線；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；過壓保護

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.100

1 概述

在數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡和工業(yè)中的分布式控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要采用串行通信來達到遠程信息交換的目的。目前，有多種接口標準可用于串行通信，包括RS-232、RS-422、RS-423和RS-485。RS-232是最早的串行接口標準，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應用；之后發(fā)展起來的RS-422、RS-485是平衡傳送的電氣標準，與RS-232非平衡的傳送方式相比，在電氣指標上有了大幅度的提升。

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信：在發(fā)送端，TXD將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號，并分A，B兩路輸出；經(jīng)傳輸后，在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此具有極強的抗共模干擾能力；再加上接收器具有較高的靈敏度，能檢測低達200 mV的電壓，從而不僅使傳輸信號能在千米以外得到恢復，還使最大傳輸速率大大提高。當以10 Kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時，傳輸距離可達12 km；而以100 Kbps速率傳輸時，傳輸距離可達1.2 km。可見，通過降低波特率，可進一步延長傳輸距離。另外，RS-485實現(xiàn)了多點互連，最多可達32臺驅(qū)動器和32臺接收器，便于多器件的連接，實現(xiàn)了半雙工通信和全雙工通信。

在構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)絡時，常將雙絞線作為傳輸線。傳輸線一般在室外架空或沿電纜溝敷設，因此，在雷雨季節(jié)，常雷電瞬變干擾而損壞器件。再者，由于RS-485的網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即通常采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡，因此，雷電引發(fā)的瞬變往往導致傳輸線上的多個RS-485收發(fā)器損壞。由此可見，防雷措施是RS-485技術實際運用中必須考慮的問題，也是提高系統(tǒng)可靠性的十分重要的措施。

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就可能損壞器件。過壓瞬變的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開關干擾等。例如，人體接觸芯片的引腳而產(chǎn)生靜電放電，其電壓高達數(shù)十千伏，可使工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運行或使器件受損；而感應雷在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。

目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些RS-485芯片，通過在內(nèi)部集成TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，瞬變電壓抑制二極管）的辦法防過壓瞬變。TVS的作用原理是：當管子兩端受到瞬態(tài)能量的沖擊時，TVS能將阻抗迅速降低，通過吸收能量，從而將管子兩端的電壓箝制在其標稱值上，以保護后端的元件。受半導體工藝限制，集成到RS-485芯片上的TVS的功率較小，在受到雷擊時，瞬態(tài)能量極易損壞內(nèi)置的TVS；同時，瞬態(tài)電流產(chǎn)生的強磁場會使附近的其他電路產(chǎn)生高電壓，即形成所謂的“反擊”，造成電路損壞。集成在RS-485芯片上的TVS的主要功能是消除靜電（不少廠商的規(guī)格書上已有詳細介紹），而無法防雷擊浪涌。

2 影響通訊速度和通信可靠性的因素

影響通訊速度和通信可靠性的因素主要有三個，即信號反射、信號衰減和純阻性負載。

2.1 信號反射

在通信電纜中，導致信號反射的原因有兩個，即阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)是指信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至為零，信號在此處就會發(fā)生反射。這種信號反射的原理與“光從一種媒介進入另一種媒介會發(fā)生反射”是相似的。要消除這種反射，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的阻抗大小相同的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個大小相同的終端電阻。從理論上分析，只要在傳輸電纜的末端跨接與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會出現(xiàn)信號反射現(xiàn)象。但是，在實際應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等的應用環(huán)境有關，特性阻抗不可能與終端電阻完全相同，因此，或多或少還會存在信號反射。引起信號反射的另一個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。由此引起的信號反射主要表現(xiàn)為通訊線路處于空閑方式時，整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)混亂。信號反射之所以會對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，歸根結(jié)底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。

2.2 信號衰減

在電纜傳輸過程中，信號衰減也會影響通訊速度和通信可靠性。我們可以將一條傳輸電纜看成由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導線產(chǎn)生。導線的電阻對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要因LC低通濾波器（由電纜的分布電容和分布電感組成）引起。

2.3 純阻性負載的大小

純阻性負載（也稱“直流負載”）的大小也會對通訊速度和通信可靠性造成影響。純阻性負載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器組成。要在通信線路上串聯(lián)避雷器，就必須及時處理好阻抗匹配問題。

3 工程案例

3.1 工程簡介

筆者以所在公司負責施工的一個水廠的防雷工程為例，介紹由RS-485收發(fā)器組成的數(shù)據(jù)采集電路的防雷施工方案。該水廠由RS-485收發(fā)器組成的數(shù)據(jù)總線電路主要負責對全廠水管壓力、流量，電動機電流、電壓，水池水位等信息的采樣，調(diào)度室通過工控機實時監(jiān)視各項數(shù)據(jù)并記錄。由于水廠占地面積廣，各信息采集點分散，給防雷施工帶來了一定困難。在整改前，筆者所在公司由于信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計得不合理，每年因雷擊造成的直接經(jīng)濟損失少則十多萬元，多則幾十萬元，間接經(jīng)濟損失達三百多萬元。為此，水廠要求筆者所在公司對其車間廠房作一次全面的防雷整改。接到任務后，筆者所在的公司立即對水廠進行了全面勘察。通過勘察，發(fā)現(xiàn)以下兩方面的問題：①水廠地處空曠的河邊，是雷擊多發(fā)區(qū)。調(diào)度室作為水廠的指揮中心，樓面裝有避雷針和微波天線，而且距離較近，曾因避雷針接閃，感應雷電流通過微波天線引下線被引入調(diào)度室，從而造成設備損壞。所有進出調(diào)度室的電源線、數(shù)據(jù)傳輸線、天饋線等均沒有采取防雷電流入侵措施。②所有車間各自獨立，沒有做好電源線、數(shù)據(jù)傳輸線的屏蔽工作，通信端口缺少過電壓保護裝置，同時，沒有作等電位連接。

3.2 整改方案

計算機房、數(shù)據(jù)通信防雷系統(tǒng)主要由外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩部分組成。外部防雷系統(tǒng)又由避雷針（避雷帶）、引下線和接地地網(wǎng)等組成；內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設備，比如計算機及其通信端口、電話機、復印機、UPS、數(shù)據(jù)傳輸線及空調(diào)機等電子設備加裝過電壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，保護裝置能快速動作并將能量泄放，從而保護設備不受損壞。具體防雷要點有：①將調(diào)度室樓上的避雷針移至旁邊另一建筑物的樓面上。增加高度可使微波天線處于防雷保護范圍內(nèi)。在調(diào)度室樓下新建一地網(wǎng)，與調(diào)度室基礎相連接，供調(diào)度室設備接地用。由于采用的是共用接地系統(tǒng)，因此，接地電阻應低于1 Ω。各車間通過人工接地體相連接，且與建筑物基礎焊接通，使整個水廠建筑物形成一個均壓等電位接地體，防止由于電位差造成設備損壞。另外，要對沒有做好屏蔽的電源線、數(shù)據(jù)傳輸線重新作屏蔽處理，所用設備就近接地，并對線槽中多余的備用線全部作接地處理。②安裝電源避雷器。由于電源供電采用TN-C系統(tǒng)，而且大部分已作埋地處理，我們在總電房安裝了三相電壓開關型SPD，采用60 kA、10/350 μs作為第一級保護；在各車間電源引入端分別安裝了三相電壓限制型SPD，采用20 kA、8/20 μs作為第二級保護；各用電設備電源輸入端分別安裝了單相拖板式SPD，采用5 kA、8/20 μs作為第三級保護。以上SPD全部采用德國原裝進口OBO避雷器。所有SPD要就近與地網(wǎng)連接，連接線要采用≥35 mm2的多股銅線，長度≤50 cm。③在RS-485總線接口安裝避雷器，且必須要對全廠的電路有充分的了解。由于通信模塊多采用并聯(lián)方式工作，而總線對阻抗有嚴格的要求，一旦阻抗不匹配，會造成整個系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至不能工作。因此，在選擇SPD時要謹慎。筆者所在的公司經(jīng)過多次實地測試，比較了多個牌子的SPD，最后采用OBO雙口SPD，要求兩線之間的鉗位電壓為12 V，線與地之間的鉗位電壓為24 V，通流量為5 kA、8/20 μs，以串聯(lián)方式連接。考慮到阻抗匹配問題，應選用串聯(lián)電阻的SPD。經(jīng)實際測試，如果采用串聯(lián)電感的SPD，由于電感對電流反應相對滯后，從而引起通信脈沖波形失真，嚴重時甚至會造成通信中斷。必要時，可采用并聯(lián)電阻補償、RC補償、并聯(lián)二極管補償?shù)确椒▉碚{(diào)整總線的阻抗，從而保證系統(tǒng)的正常工作。④對全廠的電話線、微波饋線、PLC通信線分別安裝相應的SPD，以實現(xiàn)對全廠設備的保護。

4 結(jié)論

通過以上整改，水廠的設備全部得到了比較好的防雷保護，從而確保設備免受雷擊造成的損壞，并順利通過了由防雷所、市自來水公司、水廠組成的三方聯(lián)合驗收。通過3年多的運行，水廠再沒有因雷擊而出現(xiàn)設備損壞，得到了上級領導的贊揚和肯定。之后，筆者所在公司先后多次參加了自來水公司多個項目的防雷整改，都取得較好的成績和經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]王東平.低功率轉(zhuǎn)換數(shù)率限定的RS-485/RS-422收發(fā)器[J].電子技術，1995（7）.

[2]孫涵芳，徐愛卿.MCS-51/96系列單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.

〔編輯：劉曉芳〕