485通讯问题讲解.docx

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485通讯问题讲解

一、关于485总线的几个概念:

      1、485总线的通讯距离可以达到1200米。

根据485总线结构理论，在理想环境的前提下，485总线传输距离可以达到1200米。

其条件是通讯线材优质达标，波特率为9600，只负载一台485设备，才能使得通讯距离达到1200米，所以通常485总线实际的稳定的通讯距离往往达不到1200米。

如果负载485设备多，线材阻抗不合乎标准，线径过细，转换器品质不良，设备防雷保护复杂和波特率的提高等等因素都会降低通讯距离。

     2、485总线可以带128台设备进行通讯。

其实并不是所有485转换器都能够带128台设备的，要根据485转换器内芯片的型号和485设备芯片的型号来判断，只能按照指标较低的芯片来确定其负载能力。

一般485芯片负载能力有三个级别――32台、128台和256台。

。

此外理论上的标称往往实际上是达不到的，通讯距离越长、波特率越高、线径越细、线材质量越差、转换器品质越差、转换器电能供应不足（无源转换器、防雷保护越强，这些都会降低真实负载数量。

     3、485总线是一种最简单、最稳定、最成熟的工业总线结构这种概念是错误的。

485总线是一种用于设备联网的、经济型的、传统的工业总线方式。

。

其通讯质量需要根据施工经验进行调试和测试采可以得到保证。

485总线虽然简单，但也必须严格按照安装施工规范进行布线。

     二、必须严格按照施工规范施工在485总线系统施工时必须严格按照施工规范施工，特别应注意下面几点。

    1、485+和485－数据线一定要互为双绞。

    2、布线一定要布多股屏蔽双绞线。

多股是为了备用，屏蔽是为了便于出现特殊情况时调试，双绞是因为485通讯采用差模通讯原理，双绞的抗干扰性较好。

不采用双绞线是错误的。

    3、485总线一定要用手牵手式的总线结构，坚决避免星型连接和分叉连接。

    4、设备供电的交流电及机箱一定要真实接地，而且接地良好。

有很多地方表面上有三角插座，其实根本没有接地，接地良好可以防止设备被雷击、浪涌冲击。

静电累积时可以配合设备的防雷设计较好地释放能量，保护485总线设备和相关芯片不受伤害。

    5、为避免强电对其干扰，485总线应避免和强电走在一起。

    三、推荐几种调试方法:

在调试前首先要确保设备接线正确，且施工合乎规范。

可以根据遇到的问题采用下面几种调试方法。

    1、共地法:

用1条线或者屏蔽线将所有485设备的GND地连接起来，这样可以避免所有设备之间存在影响通讯的电势差。

     2、终端电阻法:

在最后一台485设备的485+和485-上并接120欧姆的终端电阻来改善通讯质量。

    3、中间分段断开法:

通过从中间断开来检查是否设备负载过多、通讯距离过长、某台设备对整个通讯线路的影响等。

    4、单独拉线法:

单独简易拉一条线到设备，这样可以用来排除是否是布线引起了通讯故障。

    5、更换转换器法:

随身携带几个转换器，这样可以排除是否是转换器质量问题影响了通讯质量。

   6、笔记本调试法:

先保证自己随身携带的电脑笔记本是通讯正常的设备，用它来替换客户电脑进行通讯，如果正常，则表明客户的电脑的串口有可能被损害或者受伤。

     四、建议和忠告采用485总线结构常见的几种通讯故障有下面几种。

    1、通讯不上，无反应。

     2、可以上传数据，但不可以下载数据。

    3、通讯时系统提示受到干扰，或者不通讯时通讯指示灯也不停地闪烁。

    4、有时能通讯上，有时通讯不上，有的指令可以通，有的指令不可以通。

为减少通信故障提出下面几条建议和忠告供参考。

1、建议用户使用和购买门禁厂家提供的485转换器或者厂家指定推荐品牌的485转换器。

2、门禁厂家会对与其配套的485转换器做大量的测试工作，并且会要求485转换器生产厂家按照其固定的性能参数进行生产和品质检测，所以它与门禁设备具备较好的兼容性。

千万不要贪图便宜购买杂牌厂家的485转换器。

3、严格按照485总线的施工规范进行施工，杜绝任何侥幸心理。

4、对线路较长、负载较多的485总线工程采用科学的、有预留的解决方案。

5、如果通讯距离过长，如超500米，建议采用中继器或485HUB来解决。

6、如果负载数过多，如一条总线上超过30台，建议采用485HUB来解决问题。

7、现场调试带齐调试设备。

现场调试一定要随身携带几个可以接长距离和多负载的转换器、一台常用的电脑笔记本、测试通路断路的万用表，几个120欧姆的终端电阻。

RS-485网络通信在梅县电厂的应用

张晓霞　曾小立

摘　要　讨论了在数据点的地理位置较分散的情况下，如何通过RS-485网络和局域网组成一个实时通信网络。

关键词　RS-485网　数据接收　数据发送　串口通信　实时数据　ADAM4520

　　位于粤东的梅县电厂共有4台机组，总装机容量为350MW。

1、2号机组容量均为50MW，3、4号机组为新扩建的125MW机组。

3、4号机组的机炉控制均使用西仪横河公司的（μXL热工控制系统，该系统按设计要求具备由串行通信口往外传送热工数据的能力。

　　按电厂要求，希望在办公楼建立一套生产管理的微机网络系统，在该系统上不仅要能运行一些生产管理软件，同时要能实时地以图形及参数表格的形式看到3、4号机组的热工数据和全厂的电气数据。

此外，还要求让3、4号机组值长室，网控室，1、2机组中控室均能由屏幕上看到全厂的电气数据（以图形及表格形式。

　　要建立的这一套系统有2个特点：

　　第一是数据来源多。

3、4号机组的热工数据要由3、4号机组的μXL系统的串行通信口获取。

全厂电气数据要由位于网控室的2台远方终端单元收取。

　　第二是系统分散，各数据收、发点相距距离远。

需要装实时监测工作站的地点有1、2号机组中控室，3、4号机组值长室，网控室，新旧2栋办公楼内的厂领导和职能科室等（见图1。

图1　实时系统地理位置分布图

1　实时网络系统的建立

　　由于整个系统地理位置较分散且相距较远，采用通常的细缆、粗缆和双绞线都无法将上述地方组成1个局域网。

若采用光纤或广域网络产品，将大大增加厂方的投资。

考虑到厂方只要求在办公楼建立生产管理系统，我们这样设计实时监测网络系

统：

　　a通过光纤将局域网延伸，使新旧办公楼组成1个NOVELL局域网；

　　b网控室，1、2号机组中控室，3、4号机组值长室，μXL系统及上述局域网之间通过RS-485网络通信交换实时数据。

　　具体实现如下：

　　文件服务器放在新办公楼六楼的计算机房，每层楼安装1个集线器。

PC机通过五类线与集线器相连，集线器之间通过细缆相连。

在新办公楼和旧办公楼的二楼安装1对光纤收发器，通过光纤将新办公楼的局域网延伸到旧办公楼。

这样，新旧办公楼就组成了1个NOVELL局域网（见图2。

图2　Novell局域网结构图

2　实时数据的传输

　　厂里原有1台RTU收集1、2号机组的电气数据。

为了收集3、4号机组的电气数据，需增加1台RTU。

　　设置1台通信工控机，接收2台RTU送出的电气数据，然后将这些数据转送到需要的地方。

　　在NOVELL网中设置1台数据接收机，通过485网络接收3、4号机组μXL系统送出的机炉数据和上述通信工控机送出的电气数据。

而局域网上的PC工作站通过网络共享这些实时数据。

　　这样归结起来，通过485网络输出数据的地方有3个：

3号机组μXL系统，4号机组μXL系统，通信工控机（电气量。

　　通过485网络接收数据的地方有4个：

NOVELL网中的数据接收机，网控室的工作站，1、2号机组中控室，3、4号机组值长室（见图3。

图3　RS-485网结构图

3　RS-485网络通信的建立及特点

　　从图1我们知道，以上这些地方相距较远，如何解决这些较远距离的串口通信问题呢?

　　提到远距离串行通信，人们通常会想到调制解调器（MODEM。

假设在这里选用MODEM，那么由于MODEM采用的是RS-232通信方式，其数据传输方式是点对点的，在通信工控机端必须安装4个MODEM（因为有4个地方必须接收它的数据，在局域网数据接收机端要安装3个MODEM。

这显然有点浪费也不太合理。

在实际中，我们是通过ADAM-4520模块建立1个RS-485网络来解决这些远距离的通信问题的。

这样做有以下优点：

　　aADAM-4520为带光电耦合隔离的模块（隔离电压为直流500V。

在电厂现场，由于电磁干扰或多点接地或距离传输，都可能造成电压差。

而采用了光电耦合等隔离方式的ADAM-4520模块，可有效防止电压差引起的控制设备故障或损坏。

　　bRS-485网络的传输方式为半双工多点，1个发送器可以有多达32个接收器。

这样在通信工控机端只需1个发送用ADAM-4520，就可将电气数据发送到局域网数据接收机，网控室，1、2号机组中控室，3、4号机组值长室等4个地方。

　　cRS-485网络通信距离为1200m，可充分满足这里实时数据传输的要求。

　　dADAM模块的智能I/O电路自动控制数据流方向，而不需要握手信号（如RTS和CTS。

所以RS-485网络通信只需1对导线便可。

而采用MODEM的话，每一对MODEM之间便需4根导线以上。

　　e由于RS-485网络通过ADAM-4520转换成RS-232方式与PC机连接，在RS-232半双工方式下编写的数据传输程序，在本系统下无须更改便可继续使用。

　　fADAM-4520模块的包装是紧凑型的工业级包装。

可方便地安装在面板、DIN导轨或以重叠方式安装。

对于局域网数据接收机端需安装3个ADAM-4520模块的情形，也可很方便地实现。

4　实时监测系统的软件及功能

　　在局域网的电厂生产实时监测系统中，我们采用的是广东省电力试验研究所引进的TOSS-2000网络版。

安装在新办公楼计算机房的数据接收机，同时也是TOSS-2000系统的前置机。

它接收到的3号机组μXL系统、4号机组μXL系统和通信工控机送出的数据，都放在TOSS-2000的实时数据库中。

在网上的任一台PC机，只要运行TOSS-2000软件，都可实现以下功能：

　　a以图形、曲线和参数表的形式监测全厂的电气实时数据和3、4号机组的机炉实时数据，以及历史数据；

　　b打印报表（包括定时打印和召唤打印；

　　c遥信变位报警及事故追忆；

　　d有一定安全级别的操作员，可在线修改图形、生成新的画面、修改实时数据库、定义热键、定义报表。

　　在网控室，1、2号机组中控室，3、4号机组值长室这3个地方的生产实时监测工作站中，运行的是单机版的TOSS-2000系统。

除了不能看到3、4号机组的机炉数据外，别的功能与局域网中的工作站相同。

5　结束语

　　在梅县电厂的生产实际中，我们用RS-485网络解决了较远距离的多点串口数据通信问题，使生产管理网络系统能看到生产的实时数据。

该系统已投入实际运行1a多，运行稳定，在电力生产中发挥了良好的作用，是RS-485网络通信的一个极好的使用范例。

将RS-485用于数字发动机控制应用

I.简介

数字发动机控制采用数字处理器来控制电动机的运转。

一般情况下数字处理器可采用一种或多种反馈方式，使其构成一个闭环系统。

这可比作模拟控制系统和开环传动系统。

许多应用都采用了数字发动机控制，包括存储设备（如：

磁盘驱动器）、工业机器人、高精度半导体制造、打印机以及复印机等。

发动机设备

数字发动机控制可采用多种类型的发动机。

最常用的类型是超小功率旋转发动机。

它们可以进一步分为AC、DC电刷或DC无电刷型，这主要取决于其整流方式。

小型发动机的尺寸设计一般取决于框架尺寸和瓦功率。

而一般像AC型较大的发动机，是根据其马力功率进行分类的。

旋转发动机是最常用的类型，但也有其他类型，如：

线性发动机以及带各种传动装置的减速发动机（gearheadmotor）。

反馈

为提供有关位置、速度、扭矩或传动系统其他动力属性的反馈，需要反馈传感器。

最常用的反馈传感器是旋转编码器，它由安装在发动机轴上带有变化条带的转轮构成。

在发动机转动时，光传感器会检测条带的经过并生成电信号，控制器可利用这些信号来确定发动机的转动情况。

其他类型的传感器为转速计、同步器和分解器，这些均是基于电感的传感器；另外还有基于电磁的霍尔效应传感器以及基于电阻的电位计。

无论采用哪种传感器方式，数字控制器必须重复采样传感器信号，以便不断了解系统的当前动力运转情况。

根据系统对速度、动力响应及精度的要求，反馈采样率可超过每秒几千次。

控制器

无论是数字控制器还是模拟控制器，都需要与系统的预定转动和实际动力进行比较，同时处理相关输入，来产生对传动装置的控制信号。

如果采用数字控制器，会需要一些附加任务，包括系统启动例程、诊断程序、通信控制以及多个采样传感器。

数字控制器可能像专用计算机处理器般复杂，也可能如单芯片编程门阵列般简单。

设计人员不仅可设计出为传动控制而优化的数字信号处理器，还可设计出具有可变功能的微控制器，以便实现适应众多应用的最佳解决方案。

参见上的"数字控制"部分。

数据传输

本节重点讨论在发动机控制和传动控制应用中采用RS-485的优势。

该技术在与抗扰性、广泛的共模范围、充足的数据速率以及多点功能有关的应用中具有很多优势。

其他应用也采用RS-485信令，以期利用这些优势。

因此，如过程控制网络、工业自动化、远程终端、建筑自动化和安全系统等应用均广泛采用了RS-485，以便满足对强大可靠的远距离数据传输的需要。

通常RS-485信令与Profibus、Interbus、Modbus或BACnet一起使用，这些协议都是针对最终用户的特殊需求而量身定做的。

如果R-485的优势不足以满足需求，还可以采用其他信令技术。

例如，RS-232或RS-422信令技术在某些应用中可能是非常适用的，而在另外一些应用中可能会首选CAN（控制器局域网）或EtherNet/IP（行业协议），因为它们可与现有网络进行兼容。

对于高速应用以及对长途及共模电压要求不高的情况，M-LVDS可提供较低的功耗。

在上的应用手册"总线方案对比"中讨论了多种替代方法。

基本拓扑

在所示的传动控制应用示例中，需要特别注意多个不同接口的数据传输问题。

表1说明了信号的多种分类并总结了信令速度和信号电平的关键特性。

表1显示了任何数据传输方案都必须具有广泛的操作范围，以便适应各种数字传动控制需要。

RS-485信令技术速率范围介于DC～10MHz以上，并且具有强大可靠的信号电平，因此可很好地满足大多要求。

图3显示了这些信号。

请注意：

该图显示了单轴系统；多轴系统可共享相同的控制器并把相关部分（mechanics）连接到相同的工具或负载上。

根据特定应用的物理安排，控制器、伺服放大器、发动机和负载之间可能会有比较大的距离。

除了距离之外，在设计这些系统时还应该考虑其他因素，如：

电气噪声、温度和线缆故障等。

尽管存在距离或环境条件干扰，但有效数据传输的目的仍是在这些部件之间提供可靠通信。

II.数据传输问题与485的应对方法

数字传动控制应用对在实现系统部件之间有效、可靠的通信方面面临众多挑战。

根据其内在性质，会涉及到机电传动装置，而这种装置会产生电气噪声及较高的电流电平。

安全性和可靠性进一步要求通信通道必须非常可靠，以便控制运动机构。

另外，与运动应用相伴而来的还有对线缆路由的限制，这需要更长的布线。

伺服系统的稳定性对信令速率也有额外要求。

环境

i.EMI/抗扰性

典型的EMI源是发动机驱动电压、发动机电刷噪声、工具源、以及来自时钟、显示器和其他计算机组件的电气噪声。

由于二进制编码的内在信噪比，数字系统的主要问题是寄生脉冲。

RS-485信令标准包含了非常适于解决这些EMI问题的功能。

RS-485信令具有平衡及差分的特点，一般通过双绞线进行传输。

它会导致任何电气噪声都会被等同连接到两条线路上。

因此，由于接收器对差分电压很敏感，这种噪声会被消除，而电压差会继续携带该信号信息。

RS-485信号电平进行了定义，对于任何有源驱动器，一条线路为高电平驱动，另一条为低电平驱动。

两条线路上的电压差必须高于1.5V或者低于-1.5V，以便传输有效状态。

这适用于所有有效负载条件。

接收器规格对于EMI噪声消除极其重要。

485标准要求在接收差分信号强度达到200mV以上时对有效状态进行检测。

这种灵敏度可以弥补线缆中的损耗，而这种损耗会在驱动器端将信号幅度降至1.5V以下（或更低）。

接收器磁滞虽然在485标准中未予以规定，但也非常重要，它是低电平到高电平以及高电平到低电平传输阈值之间的差分。

因为不存在完美平衡的线对，因此EMI源会产生以下差分噪声。

如果没有接收器磁滞，无论是由于有效信号改变还是噪声响应，接收器均会在每次输入交叉（0差分电压）时改变状态。

因此，需要磁滞来避免寄生脉冲，在空闲总线或过渡期间更是如此。

这些寄生脉冲会被解释成编码器计数、阶跃指令（stepcommand）或传动装置信号，其取决于它们在系统中出现的位置。

接收器磁滞值越高就越能抵抗EMI噪声。

一般RS-485接收器的磁滞为40～60mV，而磁滞达到100mV的接收器可应对尤为恶劣的电气噪声环境。

ii.接地电势／共模

另一个可影响传动控制应用中通信的电气挑战是驱动器与接收器节点之间的接地参考。

电流负载（如：

高功率工具可能产生的电流负载）会造成这类问题。

由于发动机反向EMI、设备故障以及附近闪电产生的二次浪涌（secondarysurge），会出现局部电压浪涌。

通过示例可说明在传动控制应用中如何会出现接地偏移。

设想一个典型的发动机与放大器／控制器，它们采用一定长度的线缆相互连接来进行通信并提供电源。

如果节点1与2之间的24V电源采用50米14AWG线缆连接的话，则RCOPPER大约为0.5。

在正常操作中，发动机电流低于2A。

但是在失速故障（stallfault）情况下，电流可能激增到10A。

由于接地线上的压降，这会导致GND1与GND2之间5V的压差。

因此，任何引用GND1的信号在节点2被接收到时都会出现-5V的偏移。

由于所有信号都会受到普通偏移的影响，因此其称为共模电压偏移。

尽管这种情况会阻止与单端数据传输之间的可靠通信，但5V接地偏移仍处于标准RS-485共模电压（VCM范围之内。

由于节点1的差分信号进行了同等偏移，因此差模信号仍然有效，而RS-485接收器也将可靠地接收正确的信号。

iii.ESD

静电放电（ESD对于通过线缆连接的所有电路都是非常危险的。

某些收发器具有集成到总线电路中的ESD保护功能。

典型的保护电平为8kV～15kV，而诸如SN65LBC184的某些收发器可提供超过30kV的事件保护。

特定应用所需的保护电平很难进行预测，但设计人员应考虑以下因素：

·收发器所处的电气环境

·处理条件与线缆接入频率

·确定故障点的诊断程序

·替换停机时间以及相关的人力费用

另一类电气危险是由于瞬态（浪涌）过压造成的损害。

由击穿次级电源变压器的闪电或者由机器故障导致的局部电源故障会造成这类事件。

IEC61000-4-5中规定了这种危险类型的测试方法。

一般通过添加外部保护二极管来提供这种能量消散的安全通道。

带有集成瞬态电压抑制电路的SN65LBC184能够保护浪涌电压电源超过400W的总线输入。

iv.一般强度

其他考虑因素与发动机控制应用的苛刻环境有关。

高功率及工业应用需要具备较大的温度范围。

速度

i.反馈环路延迟

工程师在设计数字发动机控制的通信时应考虑通信部件是否会明显增加伺服环路的延迟。

一般来说，与RS-485数据传输相关的传播延迟在典型系统中可以忽略。

通信延迟可分为：

·收发器与介质的传播延迟

·信令速率（同步）延迟

·由编码增加的开销

ii.传播延迟（线缆传输延迟，收发器延迟……）

收发器与介质的传播延迟主要是通过半导体器件及铜线传输电信号的物理过程造成的。

收发器的典型传播延迟为10到100毫微秒量级。

诸如RS-485的双绞线等线缆的传播延迟一般为每米5毫微秒。

因此，即使是速度非常快的系统，1微秒（1000毫微米）的收发器延迟也只是对应不到4度的相移。

对于长度不到100米的线缆，由线缆延迟造成的附加相移也可以忽略不计。

iii.信令速率

如果数据传输达到一旦数据可用就能够收发时，那么信令速率一般只受数据源的限制，而不受数据传输链的限制。

例如，一旦检测到运动就异步发送脉冲的编码器。

旋转编码器可以产生每转8192个、甚至32000个计数，其速率超过每秒一百万个计数。

如果直接与收发器相连，不到1微秒就可将这些脉冲发送出去，而其对系统造成的延迟一般可以忽略。

但是，如果控制器同步对收发器定时，则信令速率将会大大降低，同时会限制系统的性能。

典型的同步信令速率为9600bps、19200bps、115kbps等。

系统设计人员应该考虑这种信令速率对数据传输时间以及系统性能的影响。

iv.串行通信更大的有效负载

除了传播延迟和同步信令延迟之外，与数据协议相关的编码格式也会造成延迟。

有多种原因造成在数据传输方案中结合编码。

其中一个原因是提供错误检测方式。

典型的示例是常用于验证每组8个数据位保真度的奇偶校验位。

另一个示例是用于指示消息开始与结束的起始位与停止位。

如果数据源具备足够复杂性来支持这些单元，诸如指令／状态代码等说明位也可以构成消息协议的一部分。

这些增加的位可为传输方案提供附加功能，但还需要传输及解码时间。

因此，系统设计人员在设置系统速度要求及信令速率时必须要保证为这些"开销"位提供裕度。

多点拓扑

另一个应考虑问题的是是否有两个以上的节点在同一总线上进行通信。

如果一个节点向多个接收器发送数据，则这称为多点配置。

如果多个节点中的任何一个都可以控制总线并向其他节点发送数据，则这称为多点结构。

当然，随着系统复杂性的增加，信令协议必须包含可确定哪个节点何时发送数据的程序。

这可以避免总线争用，此时两个收发器会彼此争着设置总线电压。

为安全起见，RS-485标准还要求每个收发器包含防止总线争用造成损害的保护功能。

这就是说，如果两个驱动器出现相反的有源状态时，则两者均不会因为争用共享总线上的电压电平而遭受损害。

利用RS-485信令技术，在多点分配中可将32个节点（或者如果采用更低单元负载的收发器，可达到256个节点）连接到相同的双绞线线缆上。

这可简化多轴、多传感器系统中的布线。

所选的信令速率应足够高，以便允许所有节点都能够满足各自的更新要求。

TIA/EIA-485标准建议信令速率为10Mbps。

虽然这种速率已经完全满足大多系统的需要，但某些收发器为满足最苛刻高速系统的需求，具有可提供超过30Mbps信令速率的能力。

多个标准协议均采用了基于RS-485的信令技术。

这些协议可实施各种方法来设置消息格式，检查错误，进行多点总线控制及协商信令速率。

发动机与传动控制常用的协议包括Modbus、Profibus及Interbus-S。

每种协议均由不同厂商及商业机构所支持，并且专门针对不同网络条件而进行优化。

III.应用示例

在图7的应用示例中，RS-485信令技术用于向传动控制器报告编码器信息。

将传动控制器放置到离编码器一定距离的地方非常必要，这主要是因为空间的限制或者出于轻松接入控制器的需要。

在此示例中有4个点对点配置信号，因此需要一个四通道驱动器与一个四通道接收器