李柏堅(jiān)

摘 要：RS-485組網(wǎng)非常適用于工業(yè)自動(dòng)化中的遠(yuǎn)程控制。在將雙絞線作為傳輸線構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，通過對(duì)通信電纜的屏蔽、接地和等電位的連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)RS-485接口的防雷擊和過壓保護(hù)。

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

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.100

1 概述

在數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(dá)到遠(yuǎn)程信息交換的目的。目前，有多種接口標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應(yīng)用；之后發(fā)展起來的RS-422、RS-485是平衡傳送的電氣標(biāo)準(zhǔn)，與RS-232非平衡的傳送方式相比，在電氣指標(biāo)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(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端，TXD將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，并分A，B兩路輸出；經(jīng)傳輸后，在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。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(qiáng)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(dá)200 mV的電壓，從而不僅使傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)，還使最大傳輸速率大大提高。當(dāng)以10 Kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸距離可達(dá)12 km；而以100 Kbps速率傳輸時(shí)，傳輸距離可達(dá)1.2 km?？梢姡ㄟ^降低波特率，可進(jìn)一步延長傳輸距離。另外，RS-485實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互連，最多可達(dá)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，便于多器件的連接，實(shí)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(luò)時(shí)，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(shè)，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(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即通常采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，因此，雷電引發(fā)的瞬變往往導(dǎo)致傳輸線上的多個(gè)RS-485收發(fā)器損壞。由此可見，防雷措施是RS-485技術(shù)實(shí)際運(yùn)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(duì)“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(guān)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(dá)數(shù)十千伏，可使工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運(yùn)行或使器件受損；而感應(yīng)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(dāng)管子兩端受到瞬態(tài)能量的沖擊時(shí)，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(biāo)稱值上，以保護(hù)后端的元件。受半導(dǎo)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(shí)，瞬態(tài)能量極易損壞內(nèi)置的TVS；同時(shí)，瞬態(tài)電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場會(huì)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(xì)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(gè)，即信號(hào)反射、信號(hào)衰減和純阻性負(fù)載。

2.1 信號(hào)反射

在通信電纜中，導(dǎo)致信號(hào)反射的原因有兩個(gè)，即阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)是指信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至為零，信號(hào)在此處就會(huì)發(fā)生反射。這種信號(hào)反射的原理與“光從一種媒介進(jìn)入另一種媒介會(huì)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(gè)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(hào)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(gè)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(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相同，因此，或多或少還會(huì)存在信號(hào)反射。引起信號(hào)反射的另一個(gè)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(hào)反射主要表現(xiàn)為通訊線路處于空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。信號(hào)反射之所以會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，歸根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

2.2 信號(hào)衰減

在電纜傳輸過程中，信號(hào)衰減也會(huì)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(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)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(fù)載的大小

純阻性負(fù)載（也稱“直流負(fù)載”）的大小也會(huì)對(duì)通訊速度和通信可靠性造成影響。純阻性負(fù)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(shí)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(fù)責(zé)施工的一個(gè)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(fù)責(zé)對(duì)全廠水管壓力、流量，電動(dòng)機(jī)電流、電壓，水池水位等信息的采樣，調(diào)度室通過工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視各項(xiàng)數(shù)據(jù)并記錄。由于水廠占地面積廣，各信息采集點(diǎn)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(shè)計(jì)得不合理，每年因雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失少則十多萬元，多則幾十萬元，間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)三百多萬元。為此，水廠要求筆者所在公司對(duì)其車間廠房作一次全面的防雷整改。接到任務(wù)后，筆者所在的公司立即對(duì)水廠進(jìn)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(yīng)雷電流通過微波天線引下線被引入調(diào)度室，從而造成設(shè)備損壞。所有進(jìn)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(dú)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(hù)裝置，同時(shí)，沒有作等電位連接。

3.2 整改方案

計(jì)算機(jī)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(duì)建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備，比如計(jì)算機(jī)及其通信端口、電話機(jī)、復(fù)印機(jī)、UPS、數(shù)據(jù)傳輸線及空調(diào)機(jī)等電子設(shè)備加裝過電壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí)，保護(hù)裝置能快速動(dòng)作并將能量泄放，從而保護(hù)設(shè)備不受損壞。具體防雷要點(diǎn)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(hù)范圍內(nèi)。在調(diào)度室樓下新建一地網(wǎng)，與調(diào)度室基礎(chǔ)相連接，供調(diào)度室設(shè)備接地用。由于采用的是共用接地系統(tǒng)，因此，接地電阻應(yīng)低于1 Ω。各車間通過人工接地體相連接，且與建筑物基礎(chǔ)焊接通，使整個(gè)水廠建筑物形成一個(gè)均壓等電位接地體，防止由于電位差造成設(shè)備損壞。另外，要對(duì)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(shè)備就近接地，并對(duì)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?cè)诳傠姺堪惭b了三相電壓開關(guān)型SPD，采用60 kA、10/350 μs作為第一級(jí)保護(hù)；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(jí)保護(hù)；各用電設(shè)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(jí)保護(hù)。以上SPD全部采用德國原裝進(jìn)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(duì)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(duì)阻抗有嚴(yán)格的要求，一旦阻抗不匹配，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至不能工作。因此，在選擇SPD時(shí)要謹(jǐn)慎。筆者所在的公司經(jīng)過多次實(shí)地測試，比較了多個(gè)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?？紤]到阻抗匹配問題，應(yīng)選用串聯(lián)電阻的SPD。經(jīng)實(shí)際測試，如果采用串聯(lián)電感的SPD，由于電感對(duì)電流反應(yīng)相對(duì)滯后，從而引起通信脈沖波形失真，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛?。必要時(shí)，可采用并聯(lián)電阻補(bǔ)償、RC補(bǔ)償、并聯(lián)二極管補(bǔ)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(duì)全廠的電話線、微波饋線、PLC通信線分別安裝相應(yīng)的SPD，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠設(shè)備的保護(hù)。

4 結(jié)論

通過以上整改，水廠的設(shè)備全部得到了比較好的防雷保護(hù)，從而確保設(shè)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(yàn)收。通過3年多的運(yùn)行，水廠再?zèng)]有因雷擊而出現(xiàn)設(shè)備損壞，得到了上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的贊揚(yáng)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(gè)項(xiàng)目的防雷整改，都取得較好的成績和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕