ТУЛА-ТЕРМ

8(4872)70-19-61

8-800-100-71-67

(звонок по России бесплатный)

Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации систем стандарта RS-485

Добавленно 13.09.2018

Большинство оборудования нашего производства, имеет возможность объединения в сеть для удаленного архивирования и диспетчеризации. И все больше пользователей запрашивают такую возможность в составе оборудования "ТУЛА-ТЕРМ". На многих предприятиях, на которых стоит наше оборудование количество устройств увеличивается и в настоящий момент, сервисные службы потребителей столкнулись с проблемами при приеме и передаче данных по сети RS-485, Анализ показал наличие проблем в организации сети. В статье даются рекомендации по прокладке линий связи и решению наиболее частых проблем.

Цель настоящей статьи - предоставить базовые рекомендации по выбору схемы соединений для сетей на основе RS-485. Спецификация RS-485 (официальное название TIA/EIA-485-A) не дает конкретных пояснений по поводу того, как должна осуществляться разводка сетей RS-485. Однако она предоставляет некоторые рекомендации. Эти рекомендации и инженерная практика в области обработки сигналов низких частот положены в основу этой статьи. Однако представленные здесь советы ни в коем случае не охватывают всего разнообразия возможных вариантов построения сетей. 

RS-485 передает цифровую информацию между многими объектами. Скорость передачи данных может достигать 115 Кбит/с. RS-485 предназначен для передачи этой информации на значительные расстояния, и 1000 метров хорошо укладывается в его возможности. Расстояние и скорость передачи данных, с которыми RS-485 может успешно использоваться, зависят от многих моментов при разработке схемы межсоединений системы. 


Кабель

RS-485 спроектирован как балансная система. Проще говоря, это означает, что, помимо земляного, имеется два провода, которые используются для передачи сигнала. 




Рис. 1. Балансная система использует, помимо земляного, два провода для передачи данных.


Система называется балансной, потому что сигнал на одном проводе является идеально точной противоположностью сигнала на втором проводе. Другими словами, если один провод передает высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, и наоборот. См. Рис. 2. 




Рис. 2. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны.


Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованием различных типов передающей среды, он должен использоваться с проводкой, обычно называемой "витая пара". 


Что такое витая пара и почему она используется?

Как следует из ее названия, витая пара - это просто пара проводов, которые имеют равную длину и свиты вместе. Использование передатчика, отвечающего требованиям спецификации RS-485, с кабелем на основе витой пары, уменьшает два главных источника проблем для разработчиков быстродействующих территориально распределенных сетей, а именно излучаемые электромагнитные помехи и индуцируемые электромагнитные помехи (наводка). 


Излучаемые электромагнитные помехи

Как показано на рисунке 3, всякий раз, когда для передачи информации используются импульсы с крутыми фронтами, в сигнале присутствуют высокочастотные составляющие.




Рис. 3. Форма сигнала последовательности прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц и ее БПФ.


Полученные в итоге высокочастотные компоненты этих крутых фронтов вместе с длинными проводами могут привести к излучению электромагнитных помех (EMI). Балансная система, использующая линии связи на основе витой пары, уменьшает этот эффект, делая систему неэффективным излучателем. Это работает на очень простом принципе. Поскольку сигналы на линиях равны, но инверсны, излучаемые от каждого провода сигналы будут также иметь тенденцию быть равными, но инверсными. Это создает эффект подавления одного сигнала другим, что, в свою очередь, означает отсутствие электромагнитного излучения. Однако, это основано на предположении, что провода имеют точно одинаковую длину и точно одинаковое расположение. Поскольку невозможно одновременно иметь два провода абсолютно одинаково расположенными, провода должны быть близко друг к другу насколько возможно. Скручивание проводов помогает нейтрализовать любое остаточное электромагнитное излучение из-за конечного расстояния между двумя проводами. 


Индуцируемые электромагнитные помехи

Индуцируемые электромагнитные помехи - в основном та же самая проблема, что и излучаемые, но наоборот. Межсоединения, используемые в системе на основе RS-485, также действуют как антенна, которая получает нежелательные сигналы. Эти нежелательные сигналы могут искажать полезные сигналы, что, в свою очередь, может привести к ошибкам в данных. По той же самой причине, по которой витая пара помогает предотвращать излучение электромагнитных помех, она также поможет снизить влияние наводимых электромагнитных помех. Поскольку два провода расположены вместе и скручены, шум, наведенный на одном проводе будет иметь тенденцию быть тем же самым, что и наведенный на втором проводе. Этот тип шума называют "синфазным шумом". Поскольку приемники RS-485 предназначены для обнаружения сигналов, которые являются противоположностью друг друга, они могут легко подавлять шум, который является общим для обоих проводов. 


Волновое сопротивление витой пары

В зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витая пара будет обладать соответствующим "волновым сопротивлением (характеристическим импедансом)", которое обычно определяется ее производителем. Спецификация RS-485 рекомендует, но явно не навязывает, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом. Рекомендация этого импеданса необходима для вычисления наихудшей нагрузки и диапазонов синфазных напряжений, определенных в спецификации RS-485. По всей видимости, спецификация не диктует этот импеданс в интересах гибкости. Если по каким-либо причинам не может использоваться 120-омный кабель, рекомендуется, чтобы наихудший вариант нагрузки (допустимое число передатчиков и приемников) и наихудшие диапазоны синфазных напряжений были повторно рассчитаны, дабы удостовериться, что проектируемая система будет работать. Публикация TSB89 содержит раздел, специально посвященный таким вычислениям. 


Число витых пар на каждый передатчик

Теперь, когда мы понимаем, какой нужен тип кабеля, возникает вопрос о том, каким количеством витых пар может управлять передатчик. Ответ короткий - точно одной. Хотя передатчик и может при некоторых обстоятельствах управлять более чем одной витой парой, это не предусмотрено спецификацией. 


Согласующие резисторы

При большой длине линии связи возникают эффекты длинных линий. Причина этому — распределённые индуктивные и ёмкостные свойства кабеля. Как следствие, сигнал, переданный в линию одним из узлов, начинает искажаться по мере распространения в линии, возникают сложные резонансные явления. Поскольку на практике кабель на всей длине имеет одинаковую конструкцию и, следовательно, одинаковые распределенные параметры погонной ёмкости и индуктивности, то это свойство кабеля характеризуют специальным параметром — волновым сопротивлением. Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сказать, что в кабеле, на приёмном конце которого подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, резонансные явления значительно ослабляются. 

Называется такой резистор "согласующим резистором" или "терминатором". Для сетей RS485 они ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приёмными).

Согласующий резистор - это просто резистор, который установлен на крайнем конце или концах кабеля (Рис. 4). В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля. 




Рис 4. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля.

Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно. Это описывается уравнением (Rt-Zo)/(Zo+Rt), где Zo - сопротивление кабеля, а Rt - номинал согласующего резистора. Хотя, в силу допустимых отклонений в кабеле и резисторе, некоторое отражение неизбежно, значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных. См. рисунок 5. 




Рис. 5. Используя схему, показанную на верхнем рисунке, сигнал слева был получен с RS485, нагруженным на 120-омную витую пару, и 54-омным согласующим резистором. Сигнал справа был получен при корректном согласовании с помощью 120-омного резистора.

Помня об этом, важно обеспечить максимально-возможную близость значений сопротивления согласующего резистора и волнового сопротивления. Место установки согласующего резистора так-же очень важно. Согласующие резисторы должны всегда размещаться на дальних концах кабеля. 


Максимальное число передатчиков и приемников в сети

Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного передатчика и одного приемника. Хотя это и полезно в ряде приложении, но RS-485 привносит большую гибкость, разрешая более одного приемника и передатчика на одной витой паре. Допустимый максимум зависит от того, насколько каждое из устройств загружает систему. 

В идеальном мире, все приемники и неактивные передатчики будут иметь бесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, так не бывает. Каждый приемник, подключенный к сети и все неактивные передатчики увеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить, сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица, называемая "единичная нагрузка (unit load)". Все устройства, которые подключаются к сети RS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки. Два примера - MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487, который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичных нагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованным кабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) - 32. Для приведенных выше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройств MAX3485 или до 128 MAX487. 

Если говорить о контроллерах Segnetics, то они являются единичной нагрузкой для сети. Т.е. допустимое количество контроллеров в сети равно 32.


Примеры правильных сетей

Вооружившись приведенной выше информацией, мы готовы разработать некоторые сети на основе RS-485. Вот несколько простых примеров. 


Два приемопередатчика

На рисунке 6 представлена сеть с двумя приемопередатчиками. 



Рис. 6. Сеть RS-485 с двумя приемопередатчиками.


Несколько приемопередатчиков

На рисунке 7 представлена сеть с несколькими приемопередатчиками. Здесь важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче. В контроллерах Segnetics это расстояние минимально и измеряется миллиметрами.



Рис. 7. Сеть RS-485 с несколькими приемопередатчиками.


Примеры неправильных сетей

Ниже представлены примеры неправильно сконфигурированных систем. В каждом примере сравнивается форма сигнала, полученного от некорректно разработанной сети, с формой сигнала, полученного от должным образом разработанной системы. Форма сигнала измерялась дифференциально в точках A и B (A-B). 


Несогласованная сеть

В этом примере, на концах витой пары отсутствуют согласующие резисторы. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с открытой цепью на конце кабеля. Это приводит к рассогласованию импедансов, вызывая отражение. В случае открытой цепи (как показано ниже), вся энергия отражается назад к источнику, вызывая сильное искажение формы сигнала. 



Рис. 8. Несогласованная сеть RS-485 (вверху) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).


Неправильное расположение терминатора

На рисунке 9 согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть еще кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведет к дополнительным отражениям. 



Рис. 9. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).


Составные кабели

На рисунке 10 имеется целый ряд проблем с организацией межсоединений. Первая проблема заключается в том, что драйверы RS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Здесь же каждый передатчик управляет четырьмя параллельными витыми парами. Это означает, что требуемые минимальные логические уровни не могут гарантироваться. В дополнение к тяжелой нагрузке, имеется рассогласование импедансов в точке, где соединяются несколько кабелей. Рассогласование импедансов в очередной раз означает отражения и, как следствие, искажение сигнала. 



Рис. 10. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар.


Длинные ответвители

На рисунке 11, кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель - stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче. 



Рис. 11. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением.


Защита устройств от перенапряжений в линии связи.

Разность потенциалов между проводниками линии и между линией и "землей" приемопередатчика, как правило, не должна выходить за пределы -7...+12 В. Следовательно, может потребоваться защита от разности потенциалов между "землями" и от перенапряжений из-за замыкания на высоковольтные цепи.


Разность потенциалов между "землями".

При организации сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать неявное присутствие третьего проводника - "земли". Ведь все приемопередатчики имеют питание и "землю". Если устройства расположены недалеко от начального источника питания, то разность потенциалов между "землями" устройств в сети невелика. Но если устройства находятся далеко друг от друга и получают местное питание, то между их "землями" может оказаться существенная разность потенциалов. Возможные последствия - выход из строя приемопередатчика, а то и всего устройства. В таких случаях следует применять гальваническую развязку или дренажный провод.

Гальваническая развязка линии и устройств осуществляется опторазвязкой цифровых сигналов с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков. Тогда вместе с дифференциальными проводниками прокладываются провод изолированной "земли" (сигнальной "земли"). Для того, чтобы снять ненужный наведённый потенциал с сигнальной "земли", рекомендуется объединить её с "землёй" питания или специальной клеммой "нулевого потенциала" (GND) каждого устройства через какое-нибудь большое сопротивление (от сотен килоом до единиц мегаом). Если использовать меньшее сопротивление, можно свести на нет все преимущества опторазвязанной линии связи.



Рис. 12а. Выравнивание потенциалов в сети RS-485, используя провод изолированной "земли".


Дренажный провод - провод, прокладываемый вместе с витой парой и соединяющий "земли" удаленных устройств, не имеющих гальванической развязки приёмопередатчиков. Через этот провод уравниваются потенциалы "земель" таких устройств. При включении устройства в линию дренажный провод следует подсоединять первым, а при отключении - отсоединять последним. Для ограничения тока через дренажный провод, его заземляют через резистор в 100 Ом мощностью 0.5 Ватт.



Рис. 12б. Выравнивание потенциалов в сети RS-485, используя отдельный "дренажный" провод.


Замыкание на высоковольтные цепи.

Если существует опасность попадания на линию или одну из местных "земель" высокого напряжения, применяют опторазвязку или шунтирующие ограничители напряжения. А лучше и то и другое.

По состоянию на весну 2009 года, в контроллерах Segnetics опторазвязка присутствует только у контроллера SMH2010, оснащённого дополнительным портом RS485 (модификации SMH2010C-ххх2). Основные порты RS485 контроллеров Pixel и SMH2010 не имеют опторазвязки. Однако, любой тип портов на контроллерах имеет встроенные шунтирующие ограничители напряжения.

Напряжение пробоя опторазвязанного интерфейса составляет сотни и даже тысячи вольт. Это хорошо защищает устройство от перенапряжения, общего для всех проводников линии. Однако, при дифференциальных перенапряжениях, когда высокий потенциал оказывается на одном из проводников, сам приемопередатчик будет поврежден.

Для защиты от перенапряжений все проводники линии, включая изолированный общий, шунтируются на локальные "земли" при помощи ограничителей напряжения. Это полупроводниковые ограничители напряжения. При наличии в линии напряжения выше порогового их сопротивление резко падает, и они шунтируют линию.

Защита ограничителями напряжения действенна при кратковременных перенапряжениях. При длительных - токи короткого замыкания могут вывести ограничители из строя, и устройства на линии окажутся без защиты. 

Если кабель подключен к контроллеру через плавкие предохранители, как показано на рисунке 13, то предохранители сгорают раньше, чем порт или его защита успевают получить какие-либо повреждения.



Рис. 13. Защита контроллера от перенапряжений в сети, используя предохранители.


Дополнительные меры защиты от помех.


Диагностика. Если есть возможность выбора маршрута прокладки кабеля с замером уровня помех - не стоит ей пренебрегать. Даже если программная коррекция ошибок успешно справляется со сбоями, нужно сделать все, чтобы физически снизить уровень помех в линии. Полезно предусмотреть в программе диагностический режим, в котором накапливалась бы статистика сбоев, отрабатываемых программной коррекцией (провал по контрольной сумме или тайм-ауту, рисунок 14). Если сбоев слишком много, желательно поработать над поиском и устранением их причины. Снижение скорости связи (бодрейта) во многих случаях повышает помехоустойчивость. Не имеет смысла устанавливать скорость обмена больше, чем необходимо для нормальной работы системы, если только не требуется запас на модификацию.



Рис. 14. Блок диагностики сети, наглядно отражающий типы происходящих ошибок.


Прокладка кабеля. По возможности не следует проводить витую пару вдоль силовых кабелей, тем более в общей оплетке, так как существует опасность наводок от силовых токов через взаимную индуктивность. Силовое оборудование, коммутирующее большие токи, также является источником помех. Некачественная витая пара с асимметричными характеристиками проводников - еще один источник проблем. Чем меньше шаг витой пары (чаще перевиты провода) - тем лучше. Даже если не применяется опторазвязанная линия или дренаж, стоит сразу провести кабель с запасной витой парой - на случай, если произойдет обрыв первой или все же понадобится провести сигнальную землю. Также не рекомендуется проводить несколько линий связи в одном кабеле. Таким примером являются кабели типа STP-5 и UTP5, имеющие несколько витых пар внутри одного кабеля. В этом случае нужно использовать ровно столько кабелей, сколько линий связи вы хотите использовать. Кабели лучше использовать экранированные, это улучшит помехозащищённость линий связи друг от друга.


Экранирование и заземление. В промышленных условиях, тяжелых в плане электромагнитного шума, рекомендуется применять экранированный кабель с витой парой. Экран, охватывающий проводники линии, защищает их от паразитных емкостных связей и внешних магнитных полей. Экран следует заземлять только в одной из крайних точек линии. Заземление в нескольких точках недопустимо: из-за разности потенциалов местных "земель" по экрану могут протекать существенные токи, которые будут создавать наводки на сигнальные проводники. Для защиты от радиопомех рекомендуется дополнительно включать в нескольких местах между экраном и заземлением специальные высокочастотные конденсаторы емкостью 1...10 нФ. 


Индуктивные фильтры. Если в линию все же попадают высокочастотные помехи, их можно отсеять индуктивными фильтрами. Существуют специальные индуктивные фильтры, предназначенные для подавления высокочастотных помех в линиях связи. Они последовательно включаются в линию непосредственно у приемников. Например, B82790-S**** фирмы Epcos, выполненный в виде четырехполюсника, через который витая пара подсоединяется к приемнику (Рисунок 15).



Рис. 15. Защита контроллера от высокочастотных помех в сети, используя индуктивные фильтры.

Источник статьи forum.segnetics.com.
 

Полезные ссылки:

1. "RS-422 and RS-485 Application Note"
B&B Electronics Mfg. Co. Inc (Rev. 1997)

2. "Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты RS-422/RS-485"
Александр Локотков. Журнал"СТА" 3/97.

3. "Правильная разводка сетейRS-485"
Maxim's Application Note 763 (январь 2001 года), пер. И.Н. Бирюков.

4. "Обрежьте жирок сRS-485"
Maxim's Application Note 386 (A184, март 2001 года), пер. И.Н. Бирюков.
 
 
 
Подготовлено
отделом автоматизации
ООО "ТУЛА-ТЕРМ"

Комментарии:

Добавить комментарий:

перезагрузить код