RS485總線在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中一種安全機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

吳梅梅

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)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(fù)邏輯，+2V～+6V表示0，-6～-2V表示1，基于其傳輸距離遠(yuǎn)、價格低廉、實(shí)現(xiàn)簡單等特點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場分布式系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛。

復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境一般采用分布式系統(tǒng)?？刂破骱同F(xiàn)場變送器傳輸距離較遠(yuǎn)，一般情況下RS485總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)其電源供電和信號總線統(tǒng)一從控制器走線，這樣就可以節(jié)約施工成本。本文提到的系統(tǒng)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(tǒng)在施工和調(diào)試過程中會出現(xiàn)信號短接或者誤插信號線和電源線的狀況，容易導(dǎo)致系統(tǒng)端口燒毀甚至使系統(tǒng)癱瘓，從而增加了系統(tǒng)維護(hù)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(xiàn)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(hù)、防止戶外雷擊等特點(diǎn)，本方案配合可靠的軟件協(xié)議機(jī)制并在工程應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)分為兩部分，即控制器和變送器。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示?？刂破饕话惴胖迷谥醒肟刂剖抑校晒ぷ魅藛T隨時監(jiān)控現(xiàn)場變送器運(yùn)行工作狀態(tài)。圖中四路線纜分別為+24V、Ground、RS485-A、RS485-B。系統(tǒng)采用主從模式進(jìn)行通信，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文重點(diǎn)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(hù)方法。在講述此方案之前先了解一下系統(tǒng)電路功能結(jié)構(gòu)，圖2為變送器功能電路結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

上圖1-2中變送器單元主要由4～20mA信號調(diào)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(shè)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(shè)置單元在系統(tǒng)中區(qū)別于其他變送器單元。

圖2 變送器功能電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)內(nèi)部隔離方法的主要工作機(jī)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(dá)到保護(hù)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(shí)現(xiàn)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(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號，通過光電隔離放大器芯片HCNR201實(shí)現(xiàn)電氣的隔離。將4～20mA電流信號隔離后轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過ADC轉(zhuǎn)換芯片由中央處理單元采集數(shù)據(jù)并處理，之后通過RS485發(fā)送。HCNR201芯片具有線形度好、精度高的特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)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(chǎn)過程和現(xiàn)場調(diào)試環(huán)節(jié)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(shí)現(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 電路隔離

3.3 RS485接口安全防護(hù)

由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，存在雷擊的風(fēng)險。因此在RS485接口對差分信號和共模信號進(jìn)行了兩級信號保護(hù)。第一級信號D6、D7、D8使用防雷放電管實(shí)現(xiàn)，主要用于瞬時過壓保護(hù)，用它將感應(yīng)雷擊產(chǎn)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(xiàn)短路狀態(tài)，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(dāng)感應(yīng)雷擊消失后，放電管又迅速恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。第二級使用TVS管實(shí)現(xiàn)。防雷管首先進(jìn)行能量限制，然后TVS管D2、D3、D4進(jìn)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(tài)功率，起到隔離一二級電路的功能，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。

圖5 RS485接口安全防護(hù)

4 隔離分析

在現(xiàn)場安裝過程中有四根線纜需要和變送器單元進(jìn)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(tǒng)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(hù)電路的作用。但是存在另外一種情況，即當(dāng)24V電源接到如圖5中RS485信號線上兩級信號保護(hù)電路時，F(xiàn)2和F4為壓敏電阻增大起到過流保護(hù)的作用，雙向TVS管和防雷放電管起到過壓保護(hù)的作用。同時電流信號會流到機(jī)殼保護(hù)地上，從而達(dá)到了保護(hù)后級RS485收發(fā)器的功能。

5 實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的RS485分布式系統(tǒng)將信號線和電源線接錯會導(dǎo)致燒毀RS485收發(fā)器，甚至造成總線故障，使整個系統(tǒng)癱瘓。采用以上介紹的方案，即使在現(xiàn)場接錯線纜的情況下，也不會燒毀RS485收發(fā)器。從應(yīng)用角度分析具有現(xiàn)實(shí)意義，并在產(chǎn)品中得到了驗(yàn)證。為了方便區(qū)分，試驗(yàn)中我們使用不同顏色的線纜。以下表格為具體試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)束語

本文針對RS485總線在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中收到了很好的效果，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為產(chǎn)品維護(hù)節(jié)約了大量成本，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

［1］HCNR201數(shù)據(jù)手冊［Z］.http://www.home.agilent.com/.

［2］Max1487數(shù)據(jù)手冊［Z］.http://www.maxim-ic.com.

［3］瑜宗泉，瑜晗，李建民.MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.