1.引言
在過去的幾年里,計算機控制技術迅速普及,在工業生產中,諸如工業控制計算機、PLC、變頻器、觸摸屏、機器人和柔性制造系統等設備得到了廣泛應用。將這些不同的設備連接到同一網絡中,實現彼此之間的數據交流,以實現分散控制和集中管理,已經成為了工業控制系統發展的主流趨勢。因此,工廠自動化網絡以及PLC與其他設備之間的通信問題日益受到重視。通信的方式主要包括并行通信和串行通信兩種。并行通信是一種以字節為單位進行數據傳輸的方式,它需要使用較多的數據線和控制線,因此成本較高,通常只適用于近距離通信,比如計算機與打印機之間的數據傳輸。而串行通信則是以二進制位為單位進行數據傳輸,每次只傳送一位數據,相比并行通信,它所需的信號線較少,甚至少只需要兩根線(即雙絞線),因此更適用于距離較遠的場合。在工業控制領域,計算機和PLC通常都具備通用的串行通信接口,因此串行通信在工業控制中得到了廣泛應用。
2.西門子S7-200 PLC的RS-485通信
(1)串行通信的不同標準
串行通信采用了多種接口標準,其中包括RS-232C、RS-442A和RS-485。RS-485是RS-442A的演變形式,而RS-442A是全雙工的,采用了兩對平衡差分信號線,分別用于發送和接收。相比之下,RS-485只使用了一對平衡差分信號線,并不能同時進行發送和接收。
利用RS-485通信接口和雙絞線,可以構建串行通信網絡,實現分布式系統的連接。在系統中,多可以連接32個站,而新型的接口設備已經可以支持連接128個站。(2)S7-200的網絡通信協議
S7-200的網絡通信協議包括以下五種類型:點對點接口協議(PPI)、多點接口協議(MPI)、Profibus協議、TCP/IP協議以及用戶定義的協議(自由端口模式)。
(3)西門子S7-200 PLC的RS-485通信
在西門子工業網絡通信中,串行通信是一種經濟高效的通信方式,而RS-485則是其關鍵組成部分。在系統中,R1和R2是普通電阻,阻值為10歐姆,主要用于防止RS-485信號線D+和D-短路時產生過大的電流,以免損壞芯片。
同時,Z1和Z2則是齊納二極管,其鉗制電壓為6V,大電流為10A。24V電源和5V電源共地未經隔離。當D+或D-線上存在共模干擾電壓時,通過橋式整流電路和Z1、Z2,可以將共模電壓鉗制在±6.7V,從而保護RS-485芯片SN75176。值得注意的是,該保護電路能夠承受的共模干擾電壓功率為60W,而保護電路和芯片內部并沒有采取防靜電措施。
(4)RS-232與RS-485的轉換
由于個人電腦的串口采用RS-232接口,而可編程邏輯控制器(PLC)的串口采用RS-485接口,因此在它們之間進行通信時,需要使用個人電腦/編程-編程接口(PC/PPI)電纜。RS-232接口與RS-485接口的引腳對應關系見下表。
3、常見故障分析
(1)常見故障現象
當PLC的RS-485口經非隔離的PC/PPI電纜與電腦連接,或者在PLC與PLC之間,以及PLC與變頻器、觸摸屏等設備進行通信時,通常會發生通信口損壞現象。以下是較常見的損壞情況:
R1或R2被燒斷,但Z1、Z2和SN75176完好。這可能是由于較大的瞬態干擾電流經過R1或R2、橋式整流、Z1或Z2到地,Z1、Z2可以承受大10A電流的沖擊,而這個電流在R1或R2上產生的瞬態功率為:102×10=1000W,因此會導致它們燒斷。
SN75176損壞,但R1、R2和Z1、Z2完好。這可能主要是受到靜電沖擊或瞬態過電壓速度快于Z1、Z2的動作速度所致,靜電是普遍存在的,即使是人體也會產生±15kV的靜電。
Z1或Z2、SN75176損壞,但R1和R2完好。這可能是受到高電壓低電流的瞬態干擾電壓將Z1或Z2和SN75176擊穿,由于電流較小且發生時間較短,因此R1、R2不至于發熱燒斷。
(2)故障原因分析
從上述分析可以得知,PLC接口損壞的主要原因是瞬態過電壓和靜電造成的。產生瞬態過電壓和靜電的原因復雜多樣,例如由于PLC內部24V電源和5V電源共地,24V電源的輸出端子L+、M用于其他設備混合供電可能導致地電位變化,從而造成共模電壓超出允許范圍。因此,EIA-485標準要求將各個RS-485接口的信號地用一條低阻值導線連接在一起,以保證各節點的地電位相等,消除地線環流。
當帶電插拔未隔離的連接電纜時,由于兩端電位不相等,電路中又存在諸多電感、電容等器件,插拔瞬間必然產生瞬態過電壓或過電流。因此,在進行通信接頭插拔時,盡量使設備處于斷電狀態。
連接在RS-485總線上的其他設備產生的瞬態過電壓或過電流同樣會流入PLC,總線上連接的設備站點數越多,產生瞬態過電壓的因素也越多。
當通信線路較長或存在室外架空線時,雷電是必須考慮的干擾。雷電是主要的自然干擾源,雷電產生的干擾可以傳輸到數千公里以外的地方。雷電干擾的時域波形疊加成隨機脈沖背景上的一個大尖峰脈沖,這個能量巨大的尖峰脈沖必然會在線路上造成過電壓,導致PLC等通信網絡中所連接設備的損壞,應該采取措施來避免或降低損壞程度,減少損失。
4.解決方案
(1)內部處理方法
采用隔離的DC/DC轉換器分別為24V電源和5V電源提供隔離。經過分析發現,三菱、歐姆龍、施耐德以及西門子的PLC在Profibus接口方面都采用了類似的做法。
選擇帶有靜電保護、過熱保護、輸入失效保護等多種保護功能的次RS-485芯片,例如SN65HVD1176D、MAX3468ESA等。這些芯片價格在幾十元左右,而SN75176只需1.5元。
使用響應速度更快、能夠承受更大瞬態功率的新型保護器件,如TVS或BL浪涌吸收器。例如,P6KE6.8CA的鉗制電壓為6.8V,承受瞬態功率達500W。BL器件甚至可以抵御4000A以上的大電流沖擊。對于不帶故障保護功能的芯片(如SN75176),可以在軟件上進行一些處理,以避免通信異常。在正常數據通信之前,主機可以預先將總線驅動至大于+200mV的水平,并保持一段時間,以確保所有節點的接收器輸出高電平。這樣,當有效數據發送時,所有接收器都能正確接收到起始位,從而接收到完整的數據。
R1和R2采用正溫度系數的自恢復保險PTC,例如JK60-010。在正常情況下,其電阻值為5歐,不會影響正常通信。當受到浪涌沖擊時,大電流會通過PTC和保護器件(如TVS或BL),導致PTC的電阻值急劇增加,從而迅速減小浪涌電流。
(2)外部處理方法
使用隔離的PC/PPI電纜,盡量避免使用廉價的非隔離電纜(特別是在工業現場)。西門子公司早期生產的PC/PPI電纜(6ES7901-3BF00-0XA0)是非隔離的,現在已經改為隔離電纜。
在PLC的RS-485口聯網時,采用隔離的總線連接器,如PFB-G。其速率可自動適應0~1.5Mbps,外形和使用方法與西門子非隔離的總線連接器相同。
對于與PLC聯網的第三方設備,如變頻器、觸摸屏等,其RS-485口均使用RS-485隔離器BH-485G進行隔離。這樣可以確保各RS-485節點之間無電聯系,也不會產生地線環流,即使某個節點損壞也不會影響其他節點。
良好的接地是工控系統安全可靠運行的重要條件,尤其是對于工業通信網絡。在工業通信網絡中,至少需要三種分開的地線,并通過一點接地。其中包括低電平電路地線(如信號地線)、噪聲地線(如繼電器、電動機、高功率電路的地線)和機殼接地點(機械外殼、機身、機架、地盤使用)。這些地線應該與交流電源的地線相連。RS-485通信線應采用專用的屏蔽電纜,并確保屏蔽層接地到每臺設備的外殼并終接地。
對于架空線系統,好在總線上設置專門的防雷設施。
5.總結
RS-485通信在工業網絡通信中扮演著重要角色,其網絡和接口故障是工程技術人員經常面臨的問題之一,也是影響工控系統穩定運行的主要因素。通過有效處理這些問題,可以確保通信系統的穩定可靠運行,從而提高工廠自動化的效率。本文對此進行了初步探討,希望對工程技術人員在實際問題處理中有所幫助。
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