水廠用RS—485構成總線型多點數據采集系統的防雷

李柏堅

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

關鍵詞：RS-485；總線；數據采集系統；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

在數據通信、計算機網絡和工業中的分布式控制系統中，經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采用平衡發送和差分接收方式實現通信：在發送端，TXD將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號，并分A，B兩路輸出；經傳輸后，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速率傳輸數據時，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實現了多點互連，最多可達32臺驅動器和32臺接收器，便于多器件的連接，實現了半雙工通信和全雙工通信。

在構成RS-485總線網絡時，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，常雷電瞬變干擾而損壞器件。再者，由于RS-485的網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，即通常采用一條總線將各個節點串接起來，不支持環形或星形網絡，因此，雷電引發的瞬變往往導致傳輸線上的多個RS-485收發器損壞。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、電源系統開關干擾等。例如，人體接觸芯片的引腳而產生靜電放電，其電壓高達數十千伏，可使工作中的器件產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，市場上已經出現了一些RS-485芯片，通過在內部集成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，瞬態能量極易損壞內置的TVS；同時，瞬態電流產生的強磁場會使附近的其他電路產生高電壓，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，即阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續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。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，就再也不會出現信號反射現象。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據收發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為通訊線路處于空閑方式時，整個網絡數據混亂。信號反射之所以會對數據傳輸產生影響，歸根結底是因為反射信號觸發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校驗錯誤或整個數據幀錯誤。

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收發器組成。要在通信線路上串聯避雷器，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收發器組成的數據采集電路的防雷施工方案。該水廠由RS-485收發器組成的數據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，調度室通過工控機實時監視各項數據并記錄。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據傳輸系統設計得不合理，每年因雷擊造成的直接經濟損失少則十多萬元，多則幾十萬元，間接經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，發現以下兩方面的問題：①水廠地處空曠的河邊，是雷擊多發區。調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度室，從而造成設備損壞。所有進出調度室的電源線、數據傳輸線、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、數據傳輸線的屏蔽工作，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、數據通信防雷系統主要由外部防雷系統和內部防雷系統兩部分組成。外部防雷系統又由避雷針（避雷帶）、引下線和接地地網等組成；內部防雷系統主要是對建筑物內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、數據傳輸線及空調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。在調度室樓下新建一地網，與調度室基礎相連接，供調度室設備接地用。由于采用的是共用接地系統，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、數據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，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，會造成整個系統工作不穩定，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，以串聯方式連接。考慮到阻抗匹配問題，應選用串聯電阻的SPD。經實際測試，如果采用串聯電感的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，可采用并聯電阻補償、RC補償、并聯二極管補償等方法來調整總線的阻抗，從而保證系統的正常工作。④對全廠的電話線、微波饋線、PLC通信線分別安裝相應的SPD，以實現對全廠設備的保護。

4 結論

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、水廠組成的三方聯合驗收。通過3年多的運行，水廠再沒有因雷擊而出現設備損壞，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濟效益。

參考文獻

[1]王東平.低功率轉換數率限定的RS-485/RS-422收發器[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〕