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工控系統(tǒng)的通信抗干擾技術

發(fā)布時間:2010-02-15

中心議題:
  • 工控系統(tǒng)的通信抗干擾技術
解決方案:
  • 給RS232C通信接口加裝光隔電流環(huán)的抗干擾措施
  • 采用RS422A、RS485通信接口,提高通信抗干擾能力
  • 給RS422A通信接口加裝光電隔離電路
  • 通信電纜的選用和終端匹配
一個工控系統(tǒng)常常由幾臺、幾十臺甚至更多的工業(yè)控制機組成各種形式的分布式測控系統(tǒng)。直接控制級(DDC)可以獨立完成本地的數(shù)據(jù)采集和控制任務,主站負責系統(tǒng)的管理。所有的機器連接成網(wǎng)絡互通信息,就可以完成以整體目標為宗旨的相互協(xié)調配合,達到更高的控制水平和管理層次。系統(tǒng)的通信因此就成為所有的機器協(xié)調一致的關鍵環(huán)節(jié)。對于工控系統(tǒng)的設計者來說,面對工業(yè)現(xiàn)場嚴重的干擾,提高通信網(wǎng)絡的抗干擾能力無疑是非常重要的事。

1給RS232C通信接口加裝光隔電流環(huán)的抗干擾措施

RS232C是微機之間最常用的點對點串行通信接口,但RS232C的抗干擾能力很差。這是由于RS232C采用單端信號傳輸,而它的連接電纜把它所連接的兩臺機器的地又連接在了一起,因此,當兩個地線之間的地電位不一致時,就有共模干擾電壓產(chǎn)生。于是就造成了嚴重的干擾,甚至燒毀接口器件。

如果給RS232C加裝一個光隔電流環(huán),就可以隔斷兩個地之間的聯(lián)系,從而極大地提高其抗干擾能力。圖1是RS232C加光隔電流環(huán)的電路原理圖。圖中,U1是工控機1的RS232C發(fā)送接口芯片1488,U2是工控機2的RS232C接收接口芯片1489。它們之間的通信信道已經(jīng)由T1、T2組成的光隔電流環(huán)驅動。當工控機1發(fā)送“0”時,U1輸出約+11V,它使光隔管T1的發(fā)光二極管發(fā)光,使得T1的光電三極管導通,其發(fā)射極輸出電流i。

電流i通過通信線路,驅動光隔管T2的發(fā)光二極管發(fā)光,使得T2的光電三極管導通,其發(fā)射極輸出電壓約+11V,接收芯片U2轉換該電壓成為TTL電平“0”。當工控機1發(fā)送“1”時,T1、T2截止,通信線路沒有電流,T2的發(fā)射極輸出-12V,U2轉換它成為TTL電平“1”。圖中的C1、D2,C2、D3起加速作用。本電路經(jīng)實際使用,可以構成幾公里的通信。需要注意的是,光隔電流環(huán)的電源一定要選用與工控機電源隔離的電源。接地點D1、D2、D3各自獨立于各自的體系,不能混接!由于工控機和外電路完全隔離,因此顯著地提高了工控機的抗干擾水平。
 
對RS232C進行光隔電流環(huán)改造,隔斷了工控機與外界的電的聯(lián)系,顯著地提高了工控機的抗干擾能力。而且這種改造只是在插口上進行,不涉及到工控機內(nèi)部的電路,因此簡單易行。圖1省畫了工控機2發(fā)送到工控機1的通信接口電路,它與圖1是對稱的。
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2采用RS422A、RS485通信接口,提高通信抗干擾能力

要想根本提高通信抗干擾能力,應當選用更好的通信接口RS422A。

2.1RS422A的抗干擾性能

它采用的是差動平衡驅動和接收電路。由于差動放大器具有很強的抗共模干擾能力,所以兩個不同的地線間的電位差形成的共模干擾受到很大的抑制。因此,RS422A通信接口的抗干擾能力比RS232C有質的提高。圖中,75LS174、75LS175是RS422A接口使用的一種芯片,它采用單一的+5V供電,應用方便。表列出了RS422A與RS232C的性能對比。從表中可見,RS422A的通信距離、速率和接口的性能等等都明顯地高于RS232C。

內(nèi)容RS422ARS232C接口工作方式雙端單端最大電纜距離(m)120015最大傳輸速率(bps)10M20k驅動器開路輸出電壓(V)兩輸出間為6V±25驅動器有載輸出電壓(V)兩輸出間為2V±5~±15驅動器斷電輸出阻抗(Ω)在-0.25~+6V之間為100μA300驅動器輸出電流(mA)±150±500接收器輸入阻抗(kΩ)≥43~7接收器輸入閾值(V)-0.2~+0.2-3~+3接收器輸入電壓(V)-12~+12-25~+25

2.2使用RS422A組成工控網(wǎng)

RS422A可以作為工控機網(wǎng)絡的物理層結構。圖3是用RS422A構成的星型工控網(wǎng)絡的接法。主站可以直接支持32個子站。用RS422A組網(wǎng)的優(yōu)點是主站可以全雙工方式與子站通信。但由于網(wǎng)絡需要4根線連接,并且接線也較復雜,因此,人們常常使用它的變型RS485通信網(wǎng)絡。

2.3RS485及其總線型工控網(wǎng)

RS485串行接口與RS422A接口使用同一種類型的接口芯片,不同之處只是RS485采用半雙工方式通信。因此,它只需要兩根通信線,網(wǎng)絡連接更簡單?,F(xiàn)在,RS485已成為很多工控機和計算機網(wǎng)絡的物理層結構。例如,當今最熱門的全數(shù)字(智能)、全分散、全開放工控網(wǎng)絡Fieldbus,就是采用的RS485總線網(wǎng)。示意出了采用RS485組成的總線型網(wǎng)絡的連接方法。圖中,75176是專門用于RS485的通信接口芯片,它把RS422A的發(fā)送和接收差動放大器集成在了一起。每個發(fā)送驅動器可以直接驅動32個接收器。圖中的75174、75175示意的是某些只有發(fā)送器或者接收器的單向工作站的通信接口。

RS422A的系列接口芯片75172~75178是一整套支持RS422A和RS485通信網(wǎng)絡的接口芯片。它們組合接續(xù),可以構成連通數(shù)十公里、數(shù)以百計工控機的工控網(wǎng)絡。

2.4插頭方式轉換RS232C成為RS422A通信接口,提高抗干擾能力

RS422A通信接口電路可以做成插頭方式,插接于兩個RS232C通信接口之間,直接把RS232C改造成為RS422A通信接口。于是它的抗干擾能力得到了明顯的提高。常用來延伸通信距離和提高通信速率。目前這種產(chǎn)品市場上已有成品出售。由于使用方便,無需更改硬件和軟件,因此很受歡迎。

3給RS422A通信接口加裝光電隔離電路,更進一步提高工控機的抗干擾水平

RS422A通信接口雖然大幅度地提高了通信電路的抗干擾能力,但是,它所連接的機器之間仍然有電的聯(lián)系。要想更進一步地提高工控機的抗干擾水平,應當把工控機與外界完全隔離開來。因此需要給RS422A通信接口加裝光電隔離電路。圖5是一種加裝光電隔離電路的方法。

其中,光電隔離管T1、T2選用的是TTL電路型的,型號為6N137。它的一次與二次側的延遲時間tpd只有75ns,因此速度遠遠超過普通光電三極管型的光隔管。因為普通的光隔管的tpd為3~6μs。由于T1、T2把工控機和通信接口都隔離開了,因此工控機的抗干擾水平又上了一個臺階。圖中的75LS174和75LS175的三態(tài)控制端沒有畫出隔離控制電路。如果需要控制發(fā)送和接收時,可以使用普通光隔管,隔離工控機的開關量輸出口就可以了。另外,由于工控機2發(fā)往工控機1的通信電路與圖5對稱,因此也沒有畫出。

需要再次提醒的是通信接口的+5V供電要使用獨立電源,即一定要與工控機電源隔離。而且G1、G2、G3三個地線也要各自自成體系,不可混接。

4通信電纜的選用和終端匹配

RS422A的通信電纜最好選用具有屏蔽層的雙絞線,可以提高抗電場和磁場干擾的能力,同時也很經(jīng)濟。在圖2中,L1、L2共一絞,L3、L4共另一絞。在圖4中的通信線是兩根,也要用共絞雙絞線。在圖5中通信線L1、L2共一個絞,電源線L3、L4共另外一個絞。雙絞線的屏蔽層最好單點接地。

雙絞線的終端要連接終端匹配電阻RT,減小網(wǎng)絡的反射,提高抗干擾能力。終端匹配電阻RT值最好取100~150Ω,連接方法可以按圖2和圖4,但最好采用平衡匹配法。圖6是平衡匹配電阻的連接方法。圖(a)用于總線型網(wǎng)絡,而圖(b)的發(fā)送端串聯(lián)電阻匹配法多用于點對點通信。

工業(yè)控制系統(tǒng)通信抗干擾技術,硬件措施是根本。應當根據(jù)工控現(xiàn)場的具體情況組織實施。無論是選購現(xiàn)成的產(chǎn)品或者對其再進行改造,都要胸有成竹。除此之外,還應該采取必要的軟件抗干擾措施,例如CRC碼校驗算法等作為補充。
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