1、引言

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)控制已被迅速地推廣和普及，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、plc、變頻器、觸摸屏、機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。將不同的生產(chǎn)設(shè)備連在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)，所以，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和plc的通信是工業(yè)控制中的重要研究課題。通信的方式包括并行通信和串行通信。并行數(shù)據(jù)通信方式是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，除了8根或16根數(shù)據(jù)線(xiàn)、一根公共線(xiàn)外，還需要通信雙方聯(lián)絡(luò)用的控制線(xiàn)。并行通信的傳輸速度快，但是傳輸線(xiàn)的根數(shù)多，成本高，一般用于近距離的傳輸，例如計(jì)算機(jī)于打印機(jī)之間的通信。串行數(shù)據(jù)通信方式是以二進(jìn)制的位(bit)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次只傳送一位，除了公共線(xiàn)外，在一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向上只需要一根數(shù)據(jù)線(xiàn)，這根線(xiàn)既作為數(shù)據(jù)線(xiàn)又作通信聯(lián)絡(luò)的控制線(xiàn)，數(shù)據(jù)信號(hào)和聯(lián)絡(luò)信號(hào)在這個(gè)線(xiàn)上按位進(jìn)行傳送。串行通信需要的信號(hào)線(xiàn)少，最少的只需要兩根線(xiàn)(雙絞線(xiàn))，適用于距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。計(jì)算機(jī)和plc都有通用的串行通信接口，工業(yè)控制中一般使用串行通信。

2、西門(mén)子s7-200plc的rs-485通信

2.1 、串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)

串行通信有三種接口標(biāo)準(zhǔn)：rs-232c、rs-442a和rs-485。rs-485是rs-442a的變形，rs-442a是全雙工，兩對(duì)平衡差分信號(hào)線(xiàn)分別用于發(fā)送和接收。rs-485只有一對(duì)平衡差分信號(hào)線(xiàn)，不能同時(shí)發(fā)送接收。

使用rs-485通信接口和雙絞線(xiàn)可以組成串行通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)中最多可以有32個(gè)站，新的接口器件已允許鏈接128個(gè)站。

2.2 、s7-200的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

s7-200的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議(ppi);多點(diǎn)接口協(xié)議(mpi);profibus協(xié)議;tcp/ip協(xié)議;用戶(hù)定義的協(xié)議(自由端口模式)等多達(dá)5種類(lèi)型。

2.3 、西門(mén)子s7-200plc的rs-485通信

串行通信是西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信中一種經(jīng)濟(jì)、有效的通信方式，rs-485是其最重要的組成部分。圖中r1、r2是阻值為10歐的普通電阻，其作用是防止rs-485信號(hào)d+和d-短路時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流燒壞芯片，z1、z2是鉗制電壓為6v，最大電流為10a的齊納二極管，24v電源和5v電源共地未經(jīng)隔離，當(dāng)d+或d-線(xiàn)上有共模干擾電壓灌入時(shí)，由橋式整流電路和z1、z2可將共模電壓鉗制在±6.7v，從而保護(hù)rs-485芯片sn75176(rs-485芯片的允許共模輸入電壓范圍為：-7v～+12v)。該保護(hù)電路能承受共模干擾電壓功率為60w，保護(hù)電路和芯片內(nèi)部沒(méi)有防靜電措施。
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2.4、rs-232與rs-485的轉(zhuǎn)換

由于pc機(jī)的串口是rs-232接口，plc的串口是rs-485接口，所以二者的通信要用到pc/ppi電纜，rs-232接口與rs-485接口的引針對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1、表2。

3 常發(fā)生的故障解析

3.1常見(jiàn)的故障現(xiàn)象

當(dāng)plc的rs-485口經(jīng)非隔離的pc/ppi電纜與電腦連接、plc與plc之間連接或plc與變頻器、觸摸屏等通信時(shí)時(shí)有通信口損壞現(xiàn)象發(fā)生，較常見(jiàn)的損壞情況如下：

(1)r1或r2被燒斷，z1、z2和sn75176完好。這是由于有較大的瞬態(tài)干擾電流經(jīng)r1或r2、橋式整流、z1或z1到地，z1、z2能承受最大10a電流的沖擊，而該電流在r1或r2上產(chǎn)生的瞬態(tài)功率為：102×10=1000w，當(dāng)然會(huì)將其燒斷。

(2)sn75176損壞，r1、r2和z1、z2完好。這主要可能是受到靜電沖擊或瞬態(tài)過(guò)電壓速度快于z1、z2的動(dòng)作速度造成的，靜電無(wú)處不在，僅人體模式也會(huì)產(chǎn)生±15kv的靜電。

(3)z1或z2、sn75176損壞，r1和r2完好。這可能是受到高電壓低電流的瞬態(tài)干擾電壓將z1或z2和sn75176擊穿，由于電流較小和發(fā)生時(shí)間較短因而r1、r2不至于發(fā)熱燒斷。

3.2 故障的原因分析

由3.1中的分析得知plc接口損壞的主要原因是由于瞬態(tài)過(guò)電壓和靜電造成，產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓和靜電的原因很多也較復(fù)雜，如由于plc內(nèi)部24v電源和5v電源共地，24v電源的輸出端子l+、m為其它設(shè)備混合供電可能導(dǎo)致地電位變化，從而造成共模電壓超出允許范圍。所以eia-485標(biāo)準(zhǔn)要求將各個(gè)rs485接口的信號(hào)地用一條低阻值導(dǎo)線(xiàn)連接在一起以保證各節(jié)點(diǎn)的地電位相等，消除地線(xiàn)環(huán)流。

(1)當(dāng)帶電插拔未隔離的連接電纜時(shí)，由于兩端電位不相等電路中又存在諸多電感、電容之類(lèi)的器件，插拔瞬間必然產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓或過(guò)電流。基于此考慮，在進(jìn)行通信接頭插拔的時(shí)候，盡量使設(shè)備處于斷電狀態(tài)。

(2)連接在rs-485總線(xiàn)上的其它設(shè)備產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓或過(guò)電流同樣會(huì)流入到plc，總線(xiàn)上連接的設(shè)備站點(diǎn)數(shù)越多，產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓的因素也越多。

(3)當(dāng)通信線(xiàn)路較長(zhǎng)或有室外架空線(xiàn)時(shí)，雷電是必須考慮的干擾。雷電是主要的自然干擾源，雷電產(chǎn)生的干擾可以傳輸?shù)綌?shù)千公里以外的地方。雷電干擾的時(shí)域波形疊加成隨機(jī)脈沖背景上的一個(gè)大尖峰脈沖，這個(gè)能量巨大的尖峰脈沖必然會(huì)在線(xiàn)路上造成過(guò)電壓，造成plc等通信網(wǎng)中所連設(shè)備的損壞，應(yīng)該加以避免或降低損壞程度，減少損失。

4 解決方法

4.1 從plc內(nèi)部考慮

(1)采用隔離的dc/dc將24v電源和5v電源隔離，我們分析了三菱、歐姆龍、施耐德plc以及西門(mén)子的profibus接口均是如此

(2)選用帶靜電保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、輸入失效保護(hù)等保護(hù)措施完善的高擋次rs-485芯片，如：sn65hvd1176d、max3468esa等，這些芯片價(jià)格一般在十幾元至幾十元，而sn75176的價(jià)格僅為1.5元。

(3)采用響應(yīng)速度更快、承受瞬態(tài)功率更大的新型保護(hù)器件tvs或bl浪涌吸收器，如p6ke6.8ca的鉗制電壓為6.8v，承受瞬態(tài)功率為500w，bl器件則可抗擊4000a以上大電流沖擊。若使用不帶故障保護(hù)的芯片，如sn75176，可在軟件上作一些處理，從而避免通信異常。即在進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)通信之前，由主機(jī)預(yù)先將總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)為大于+200mv，并保持一段時(shí)間，使所有節(jié)點(diǎn)的接收器產(chǎn)生高電平輸出。這樣，在發(fā)出有效數(shù)據(jù)時(shí)，所有接收器能夠正確地接收到起始位，進(jìn)而接收到完整的數(shù)據(jù)。

(4)r1和r2采用正溫度系數(shù)的自恢復(fù)保險(xiǎn)ptc，如jk60-010，正常情況下的電阻值為5歐，并不影響正常通信，當(dāng)受到浪涌沖擊時(shí)，大電流流過(guò)ptc和保護(hù)器件tvs(或bl)，ptc的電阻值將驟然增大，使浪涌電流迅速減小。

4.2 從plc外部考慮

(1)使用隔離的pc/ppi電纜，盡量不用廉價(jià)的非隔離電纜(特別是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng))。西門(mén)子公司早期出產(chǎn)的pc/ppi電纜(6es7901-3bf00-0xa0)是不隔離的，現(xiàn)在也改成隔離的電纜了。

(2)plc的rs-485口聯(lián)網(wǎng)時(shí)采用隔離的總線(xiàn)連接器，如pfb-g，速率為0～1.5mbps自動(dòng)適應(yīng)，外形和使用方法與西門(mén)子非隔離的總線(xiàn)連接相同。

(3)與plc聯(lián)網(wǎng)的第三方設(shè)備，如變頻器、觸摸屏等的rs-485口均使用rs-485隔離器bh-485g進(jìn)行隔離，這樣各rs-485節(jié)點(diǎn)之間就無(wú)“電”的聯(lián)系，也無(wú)地線(xiàn)環(huán)流產(chǎn)生，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞也不會(huì)連帶其它節(jié)點(diǎn)損壞。

(4)良好的接地是工控系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要條件，對(duì)于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)更是如此。在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，至少有三種分開(kāi)的地線(xiàn)，通過(guò)一點(diǎn)接地。第一條是低電平電路地線(xiàn)(即信號(hào)地線(xiàn))，包括數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地和直流地等;第二條是噪聲地線(xiàn)，即繼電器、電動(dòng)機(jī)、高功率電路的地線(xiàn);第三條是機(jī)殼接地點(diǎn)，專(zhuān)供機(jī)械外殼、機(jī)身、機(jī)架、地盤(pán)使用，此地線(xiàn)應(yīng)該和交流電源的地線(xiàn)相接。交流電源地線(xiàn)應(yīng)和保護(hù)地線(xiàn)相連，以達(dá)到避免因公告地線(xiàn)各點(diǎn)點(diǎn)位不均所產(chǎn)生的干擾。rs-485通信線(xiàn)采用profibus總線(xiàn)專(zhuān)用屏蔽電纜，保證屏蔽層接到每臺(tái)設(shè)備的外殼并最后接大地。

(5)對(duì)于有架空線(xiàn)的系統(tǒng)，總線(xiàn)上最好設(shè)置專(zhuān)門(mén)的防雷擊設(shè)施。

5 結(jié)束語(yǔ)

rs-485通信是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的重要組成部分，其網(wǎng)絡(luò)、接口故障是廣大工程技術(shù)人員經(jīng)常遇到的問(wèn)題，也是影響工控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要問(wèn)題之一。處理好這一問(wèn)題，保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，將打打提高工廠(chǎng)自動(dòng)化的效率。本文的粗淺討論希望能給工程技術(shù)人員在處理實(shí)際問(wèn)題以一定的幫助。

編輯：黃飛

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