提高RS-485总线可靠及常见故障处理方法.docVIP

提高RS-485总线可靠性及常见故障处理方法摘要：电力系统自动化技术近年来发展迅速，先进网络技术已经开始在一些新建的变电站得到应用，但大量较早建立的综自站基本都采用RS-485总线方式组网。本文根据现阶段RS-485总线在变电站应用情况，提出了一些提高RS-485总线可靠性的方法及故障处理方法。关键词： RS-485总线 通信 自动化技术 可靠性Enhances the RS-485bus Reliability and the Common BreakdownProcessing MethodAbstract: The electrical power system automation technology made a rapid progress in recent years.Some advanced network techniques have applicated in new automation substation, but were massive the synthesis which comparatively early established from to stand basically all uses the RS-485 bus network. This paper according to the present stage RS-485 bus in the automation substation applicated situation,proposed some enhance the RS-485bus reliable method and thebreakdown processing methodKey words: RS-485bus communication automation technology reliability0引言电力系统自动化技术近年来发展迅速，网络技术开始在变电站得到应用，但是大量较早的综自站保护及测控设备均提供RS-485接口，因而变电站常用RS-485总线组网。RS-485接口具有硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，但RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障。因此如何提高RS-485总线的运行可靠性以及排除RS-485总线故障对变电站综自系统的可靠运行具有重要意义。1提高RS-485总线可靠性的几个方面1.1合理设计RS-485接口硬件电路由于综自变电站所采用的设备均为成套设备，保护及测控装置RS-485接口设计由厂家技术人员根据其设备情况采用了合理的硬件电路。自动化技术人员基本无需考虑在硬件方面改善RS-485总线，但是在硬件设计方面，基本都会采用下列方法来保证接口的可靠性。1.1.1改善总线匹配总线匹配有两种方法，一种是加匹配电阻。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体一般采用双绞线，它的特性阻抗为120左右，所以线路设计时，在位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰，但匹配电阻要消耗较大电流，不适用于功耗限制严格的系统；另外一种比较省电的匹配方案是RC匹配，利用一只电容C隔断直流成分，可以节省大部分功率，但电容C的取值需要在功耗和匹配质量间进行平衡，如图1。除上述两种外还有一种采用二极管的匹配方案如图2，这种方案虽未实现真正的匹配，但它利用二极管的钳位作用，迅速削弱反射信号达到改善信号质量的目的，节能效果显著。 图1 采用电容匹配 图2采用二极管匹配Fig.1 Uses the electric capacity match Fig.1 Uses the diode match1.1.2RO及DI端配置上拉电阻异步通信数据以字节的方式传送，在每一个字节传送之前，先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发RO（接收器输出）产生负跳变，使接收端进入接收状态，采用RO外接10k上拉电阻可克服。1.1.3保证系统上电时RS-485芯片处于接收输入状态。收发控制端通过增加反相器进行控制，而不采用控制芯片引脚直接进行控制，以防止主控端上电时对总线的干扰，如图3所示。图3 增加反向器示意图Fig.Increase reverser schematic draw1.1.4设置总线隔离RS-485总线为并接式二线制接口，一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”，因此对其二线口VA、VB与总线之间应加以隔离。通常在VA、VB与总线之间各串接一只410的PTC电阻，同时与地之间各跨接5V的TVS二极管，以消除线路浪涌干扰。1.1.5合理选用芯片为防止强电磁（雷电）冲击，根据需要可以选用TI的75LBC184等防雷击芯片，对节点数要求较多的可选用SIPEX的SP485R。1.1.6 故障保护根据RS-485的标准规定，接收器的接收灵敏度为200mV，即接收端的差分电压大于、等于+200 mV时，接收器输出为高电平；小于、等于-200mV时，接收器输出为低电平；介于200mV之间时，接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态以及在传输线开路或短路故障时，若不采取特殊措施，则接收器可能输出高电平也可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器（UART）找不到起始位，从而引起通信异常。可使用带故障保护的芯片如SN75276、MAX3080MAX3089，它会在总线开路、短路和空闲情况下，通过改变接收器输入门限使接收器的输出为高电平，从而达到故障保护的目的。 1.2合理配置RS-485网1.2.1网络节点数。网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，一般75LBC184标称最大值为64点，SP485R标称最大值为400点。实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际节点数均达不到理论值。通常推荐节点数按RS-485芯片最大值的70%选取，传输速率在12009600b/s之间选取。通信距离1km以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。通信距离1km以上时，应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输可靠性。1.2.2节点与主干距离。理论上讲，RS-485节点与主干之间距离（T头，也称引出线）越短越好。T头小于10m的节点采用T型，连接对网络匹配并无太大影响，可放心使用，但对于节点间距非常小（小于1m，如变电站同一屏体上装有多台保护装置）应采用星型连接，若采用T型或串珠型连接就不能正常工作。另外RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于一对多点的通信系统，因此主机（PC）应置于一端，不要置于中间而形成主干的T型分布。1.3合理布置RS-485接口电路的电源、接地。对于RS-485总线系统组建的测控网络，应优先采用各接口独立供电方式，同时电源线（交直流）不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积0.75mm2以上双绞线而不是平直线。变电站多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因： (1)共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7 12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。1.4光电隔离由于变电站电磁干扰严重，现场情况复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片。通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离；通过光耦将信号隔离，可彻底消除共模电压的影响。具体可通过以下两个途径实现：（1）用光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片构筑电路；（2）使用二次集成芯片，如PS1480、MAX1480等。目前很多厂家设备都采用方法一实现光电隔离。2 RS-485总线常见故障及处理2.1整条总线通信故障。这种故障基本有两方面原因：一是总线上某个通信节点芯片的VA、VB对电源击穿造成；二是主控端处于长发状态导致整个总线通信失败。对于原因一可首先使用万用表测VA、VB间差模电压及对信号地的共模电压，若差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，则说明是VA、VB对电源击穿，此时可通过测共模电压大小来排查，共模电压越大说明离故障点越近，反之越远。对于原因二用万用表测VA、VB间差模电压时虽然测量差模电压不为零，由此可以判断是主控端接口故障。因为它处于长发状态，使受控端节点在接收到询问命令后，无法传输数据，导致整条总线通信失败，此时可根据设备技术说明书检测主控端接口，一般更换通信芯片就可恢复通信。2.2总线上一个或连续几个节点通信中断。这种情况一般是由其中的一个或几个节点故障导致的。一个节点故障会导致邻近的23个节点（一般为后续）无法通信。处理方法是将故障节点逐一与总线脱离，如某节点脱离后总线能恢复正常，说明该节点故障。此时测量该节点VA、VB差模电压一般会在0.2V左右。尽管RS-485规定差模电压大于200mV即能正常工作。但实际测量：一个运行良好的系统其差模电压一般在1.2V左右（因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在0.81.5V范围内）。2.3系统基本正常但偶尔会出现通信失败。这种情况一般是由于网络布线不合理或线路距离较长，接点较多，线路上信号衰耗较大导致系统可靠性处于临界状态，可通过改变布线方法（如选用带屏蔽层的双绞线并将屏蔽层可靠接地、可靠接好RS-485接口信号地、对接点距离较近的设备采用星型接线等方法）或增加中继模块来解决。3 结语RS-485总线组网方式，由于在抗干扰、通信速率等方面的局限，随着电力系统自动化技术的不断发展，必将被先进的组网方式所淘汰。但在现阶段很多运行的综自站普遍存在RS-485总线，因而，采取一些可行的措施提高RS-485总线运行可靠性，讨论如何