水控系統RS485通信線路防雷改造

摘要：RS485總線由于其實施施工方便、部署靈活而廣泛應用在高校后勤的水控管理系統中。從而實現對各終端水POS進行聯機管理和控制。然而，隨著水POS的大量應用，數據通信可靠性、系統的防雷安全性成為整個應用的關鍵。本文提出了提高系統通信可靠性、防雷安全性的若干措施。這些措施具有針對性，在實際應用中效果良好。

關鍵詞：RS485總線；控水POS機；防雷

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0176-02

隨著計算機技術和電氣控制技術的發展，RS-485通信被廣泛應用于安防監控、電力控制、遠程計量、水控電控、遠程遙控等系統中，實現了遠程數據采集和設備控制，目前在各大院校逐步推廣使用的水控管理系統就是一個典型應用。水控管理系統主要用于控制公共浴室、公寓洗澡間和開水房的用水管理，系統硬件由管理服務器、一級管理機、二級管理機、智能級聯器、控水POS機組成。管理服務器與一級管理機之間采用RS232串行通訊，一級二級管理機、智能級聯器、控水POS機之間均采用RS485通訊。使用管理服務器上的軟件可以很方便地對各終端控水POS機的運行狀況進行監控和管理，系統配置一級管理機一臺，二級管理機可配60臺，每臺二級管理機所帶控水POS機最多為100臺（二級管理機連接智能級聯器，智能級聯器連接控水POS機）。系統理論上最多帶6000臺控水POS機。

一、問題提出

由于水控管理系統的控水POS機分布面廣，并不局限在一幢宿舍樓內，485通信線路必須在各樓宇間鋪設，這就造成了雷擊隱患，特別是在南方多雨地區，極易造成通信設備的硬件損壞，造成系統大面積故障的發生。雷擊現象產生的根源是：雷雨天氣，天空云層間由于風力作用產生摩擦，形成電荷積累產生高壓，瞬間放電時造成高頻輻射及感應電壓，造成電子設備擊穿損壞。在系統設計階段，可以從以下幾個方面來優化設計，考慮以下防雷措施。

1.電源供電：控水POS機電源可采用級聯器供電方式，級聯器采用線性電源供電，應用帶硅鋼片的繞組變壓器，能有效利用硅鋼片的磁飽和特征來隔離雷擊時高壓。一級管理機、二級管理機均應采用線性電源供電。

2.接地：控水POS機終端、級聯器避免重復接地。屏蔽線材的地線，應分區單獨接地，不能形成多點同地現象，防止接地線路中產生非工作電流。

3.分流：在設計RS485通信模塊時，可以考慮使用氣體放電管、高速穩壓管來保護485通信線路，這些元件在雷擊時會對高壓進行分流泄放，對控制線間電壓有一定的保護作用。

4.隔離：在設計RS485通信輸入輸出時，采用隔離電源并使用光耦元件對信號進行隔離通信，也是防止雷擊損壞故障的有效措施。以上幾點防雷措施，在早期的RS485應用系統的設計中，許多方面未得到重視，造成系統運行時防雷性能薄弱，系統雷擊故障難以有效避免。

二、改造方案

針對雷擊現象，如果在系統設計時未考慮到防雷設計，未采用線性電源供電、分流和隔離方法進行預防，那么在戶外通信線路選擇和施工上，就必須采取有效措施來補救，可以采用以下幾種方法實施。

1.直連屏蔽：使用485通信電纜直連布線，采用線路屏蔽接地的方法，如采用具有屏蔽層的雙絞線電纜，屏蔽層在樓宇外做專門的接地方案；或者采用雙絞線穿鐵管，鐵管進行屏蔽接地，但鐵管施工成本高昂。該方案需要多個專用接地，施工和維護成本相應增加。同時，由于戶外485線路較長，選擇的線徑不宜太細，以免通信線路電阻對信號系統造成不必要的影響，一般應選擇線徑在0.75MM以上的雙膠線。

2.電—電隔離器：布線采用不帶屏蔽層的雙膠線，在樓宇通信線路邊界處，使用電—電通信隔離器，將戶外線路與樓內通信線路完全隔離。該方案需成對增加隔離器，能有效降低雷擊通信設備現象的發生概率，極端情況下，也僅僅損壞成本較低的隔離器，該方案優點是成本低，部署方便，對既有的通信線路沒有大的變動。

3.光—電隔離：使用光纖布線，增加一對485光電協議轉換器（光端機），樓宇內使用485通信，戶外采用光纖通信，由于光纖本身是絕緣材料，能徹底避免戶外線路造成雷擊故障的發生。隨著光纖價格的價格走低，光纖應用已成為目前應用系統戶外布線首選方案。

三、典型案例

我院在2003年實施校園一卡通工程，水控系統共有控水POS機2310只，分為宿舍東區和西區，樓宇間采用485信號線直連方式戶外通信，未有屏蔽和接地保護。由于宿舍東區西區距離較遠，485通信線路較長，線路反射較大，使用一臺服務器和管理機時不能有效管理到所有的控水POS機，所以建設初期，在東區和西區各架設一臺服務器和管理機。在歷年的夏季高溫雷雨季節時，經常有雷擊損壞一級管理機、二級管理機、級聯器等大面積故障發生。針對該現象，學院組織了485通信線路技術改造，考慮到同步應用的電控系統、宿舍區校園網絡、監控應用的需求，應用第三種方案即光—電隔離方案，對原有的水控系統、電控系統的485通信網絡進行了改造。改造方案采用戶外8芯光纖到樓宇，光纖匯集到管理機房，8芯光纖中水控系統485通信占用一芯，電控系統485通信占用一芯，互聯網通信占用兩芯，安防監控系統通信占用一芯，備用3芯。水控系統經戶外線路改造后，取得了良好效果，主要表現在以下幾個方面。

1.通信質量大為改善。原來宿舍區分為東西兩片，一臺管理機不能有效管理兩片宿舍區，采用兩臺管理機分別進行管理；改造完成后，由于減小了通信線路反射，通信質量有所提高，目前一臺服務器和一級管理機可以管理到所有控水POS機。節約了一臺管理服務器和一臺一級管理機及相應的運維，優化了系統結構，提高了管理效率。

2.通信設備安全性大大提高，改造后的近兩年來，未發生過雷擊損壞故障，保障了系統設備的安全。水控系統可以不間斷長期運行，也提高了服務質量。

3.改造中使用的8芯光纖，分別融合了互聯網、電控、安防監控等應用，為各子系統的應用提供了一個較好的通信線路條件，并提供了通信線路布線冗余。

四、發展方向

眾所周知，RS485通信網絡的優勢是經濟、部署靈活、使用方便，而缺點就是不適合做長距離通信，在長距離通信時，易造成負載能力下降、防雷性能差、線路反射增大等。如何用好RS485，更好地為系統應用服務，是未來總線發展首要問題。隨著物聯網的發展，相關標準也已經逐步完善，原來基于485的傳輸的系統設計也必將規范為現場總線傳輸。IEC61158標準定義，現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間數字式、串行、多點通信的數據總線。RS232、RS485只能代表通信的物理介質層和鏈路層，如果實現數據的雙向訪問，就必須自己編寫通信應用和程序。而現場總線技術是以ISO/OSI模型為基礎的，具有完整的軟件支持。

五、結語

在校園信息化管理系統中，水控電控由于使用傳統RS485通信線路進行戶外布線，極易造成雷擊損壞故障的發生，采用戶外線路防雷改造方案，能使早期的RS485應用系統繼續保持原有的應用和功能。本文提供的三種戶外RS485線路改造方法，具有較強的針對性，特別是光纖方案，有著明顯的優點。如何讓在用的RS485管理信息系統防止雷擊故障，本文提供了改造方案和典型案例，并指明了未來發展方向。

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