Рекомендации по разводке сети интерфейса RS-485
RS-485 (EIA/TIA-485) — это стандарт, определяющий электрические характеристики приемников и передатчиков информации для использования в балансных цифровых многоточечных системах. Интерфейс RS-485 является одним из наиболее распространённых стандартов физического уровня в современных средствах промышленной автоматизации.
1 Краткое описание стандарта
В основе интерфейса RS-485 лежит способ дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть данного метода заключается в следующем: по одному проводу (условно линия А) передается нормальный сигнал, а по второму проводу (условно линия В) передается инвертированный сигнал, таким образом, между двумя проводами витой пары всегда существует разность потенциалов (рисунок 1). Для случая логической «единицы» разность потенциалов положительна, для логического «нуля» — отрицательна.
Рисунок 1 — Диаграмма дифференциальной (балансной) передачи данных
Преимуществом дифференциальной (балансной) передачи данных является высокая устойчивость к синфазным помехам. Синфазная помеха — помеха, действующая на обе линии связи одинаково. Зачастую линии связи прокладываются в местах подверженных неоднородным электромагнитным полям, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, будет наводить в обоих проводах потенциал. В случае RS-232 интерфейса полезный сигнал, который передается потенциалом относительно общего «земляного» провода был бы утерян. При дифференциальной передаче не происходит искажения сигнала в виду того, что помеха одинаково действует на оба проводника и наводит в них одинаковый потенциал, в результате чего разность потенциалов (полезный сигнал) остается неизменной. По этой причине линии связи интерфейса RS-485 представляют собой два скрученных между собой проводника и называются витой парой. Прямые выходы «А» подключаются к одному проводу, а инверсные «В» ко второму проводу (рисунок 2). В случае неправильного подключения выходов к линиям приемопередатчики не выйдут из строя, но при этом правильно функционировать они не будут.
Рисунок 2 — Конфигурация сети RS-485
2 Рекомендации по подключению
Конфигурация сети представляет собой последовательное присоединение приемопередатчиков к витой паре (топология «шина»), при этом сеть не должна содержать длинных ответвлений при подключении устройств, так как длинные ответвления вызывают рассогласования и отражения сигнала (рисунок 3).
Стандарт предполагает, что устройства подключаются непосредственно к шине. При этом скрутки и сращивания кабеля не допускаются. При увеличении длины линий связи при высокой скорости передачи данных имеет место так называемый эффект длинных линий. Он заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в проводниках ограничена, для примера у проводника с полиэтиленовой изоляцией она ограничена на уровне около 206 мм/нс. Помимо этого электрический сигнал имеет свойство отражаться от концов проводника и его ответвлений. Для коротких линий подобные процессы протекают быстро и не оказывают влияния на работу сети, однако при значительных расстояниях в сотни метров отраженная от концов проводников волна может исказить полезный сигнал, что приведет к ошибкам и сбоям.
Проблему отражений сигнала в интерфейсе RS-485 решают при помощи согласующих резисторов — «терминаторов», которые устанавливаются непосредственно у выходов двух приемопередатчиков максимально отдаленных друг от друга. Следует отметить, что в большинстве случаев «терминаторы» уже смонтированы в потребительских устройствах и подключаются к сети при помощи соответствующих перемычек на корпусе устройства. Номинал «терминатора» соответствует волновому сопротивлению кабеля, при этом нужно помнить, что волновое сопротивление кабеля зависит от его характеристик и не зависит от его длины. К примеру, для витой пары UTP-5, используемой для прокладки Ethernet волновое сопротивление составляет 100 ±15 Ом. Специализированный кабель Belden 9841…9844 для прокладки сетей RS-485 имеет волновое сопротивление 120 Ом, поэтому расчетами резистора — «терминатора» можно пренебречь и использовать 120 Ом.
Рисунок 3 — Примеры топологий сетей RS-485
Экранированные витые пары (например, кабели Belden 9841, 3106A) рекомендуется применять в особо ответственных системах, а также при скоростях обмена свыше 500 Кбит/сек.
Нужно отметить, что для обеспечения отказоустойчивости и помехозащищенности с увеличением длины линий связи скорость передачи желательно уменьшить. Зависимость скорости обмена от длины линий представлена на рисунке 4. Данная зависимость может отличаться при прочих условиях и носит скорее рекомендательный характер.
Рисунок 4 — Зависимость скорости обмена от длины линии связи
Согласно стандарту RS-485 (EIA/TIA-485) передатчик должен обеспечивать передачу данных для 32 единичных нагрузок (под единичной нагрузкой подразумевается приемник с входным сопротивлением 12 кОм). В настоящее время производятся приемопередатчики с входным сопротивлением равным 1/4 (48 кОм) и 1/8 (96 кОм) от единичной нагрузки. В этом случае количество подключенных к сети устройств может быть увеличено до: 128 и 256 соответственно. Допускается использовать устройства с различным входным сопротивлением в одной сети, важно чтобы суммарное сопротивление было не менее 375 Ом.
Электрические характеристики интерфейса приведены в таблице 1.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Максимальное число приемников/передатчиков | 32/32 |
| Максимальная длина кабеля, м | 1200 |
| Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с | 10 |
| Уровень логической «1» передатчика, В | +1,5…+6 |
| Уровень логического «0» передатчика, В | –1,5…–6 |
| Диапазон синфазного напряжения передатчика, В | –1…+3 |
| Максимальный ток короткого замыкания передатчика, мА | 250 |
| Допустимое сопротивление нагрузки передатчика, Ом | 54 |
| Порог чувствительности приемника, мВ | ± 200 |
| Допустимый диапазон напряжений приемника, В | –7…+12 |
| Уровень логической «1» приемника, мВ | более +200 |
| Уровень логического «0» приемника, мВ | менее –200 |
| Входное сопротивление приемника, кОм | 12 |
Стандарт RS-485 (EIA/TIA-485) не регламентирует, по какому протоколу устройства сети должны связываться друг с другом. Наиболее распространенными протоколами связи на данный момент являются: Modbus, ProfiBus, LanDrive, DMX512 и другие. Передача информации осуществляется полудуплексно в большинстве случаев по принципу «ведущий» — «ведомый».
Порог чувствительности приемника составляет ± 200 мВ, то есть при разнице потенциалов на входе приемника в диапазоне от минус 200 мВ до плюс 200 мВ его выходное состояние будет находиться в состоянии неопределенности. Разность потенциалов более 200 мВ приемник принимает как логическую «1», а разность потенциалов менее минус 200 мВ приемник принимает как логический «0». Состояние неопределенности может произойти, когда ни один из передатчиков не активен, отключен от сети, либо находится в «третьем состоянии», либо все устройства сети находятся в режиме приема информации. Состояние неопределенности крайне нежелательно, так как оно вызывает ложные срабатывания приемника из-за несинфазных помех.
Использование защитного смещения позволяет исключить возможность возникновения неопределенного состояния в сети. Для этого линию А необходимо подтянуть резистором к питанию (pullup), а линию В резистором — к «земле» (pulldown). В результате, с учетом «терминаторов», получится резистивный делитель напряжения. Для надежной работы сети необходимо обеспечить смещение порядка 250…300 мВ (рисунок 5).
Рисунок 5 — Защитное смещение
Рассмотрим ситуацию, когда в сети находятся два устройства. Нам необходимо получить смещение 250мВ, при этом в сети подключены два терминальных резистора по 120Ом, и имеется источник напряжения +5В, оба приемника обладают единичной нагрузкой— их сопротивление составляет 12кОм.
Учитывая, что терминальные резисторы по 120Ом и оба приемника по 12кОм включены параллельно, то их общее сопротивление равняется:
Rсети = (Rобщ.терм · Rобщ.вх) / (Rобщ.терм + Rобщ.вх) = (60 · 6000) / (60 + 6000) = 60Ом.
Рассчитаем ток в цепи смещения:
При этом последовательное сопротивление цепи смещения составит:
Получаем сопротивление резисторов смещения:
Rсм = 1140 / 2 = 570Ом.
Выбираем ближайший номинал 560Ом.
Рисунок 6— Диаграмма передачи данных при использовании защитного смещения
Исходя из расчета защитного смещения можно заметить, что через делитель напряжения постоянно протекает ток (для случая выше это 4,2мА), что может быть недопустимым в системах с малым энергопотреблением. Это является серьезным недостатком защитного смещения.
Снизить потери можно увеличением номинала резисторов согласования до 1,1кОм и выше, но в данном случае придется искать компромисс между энергопотреблением и надежностью сети.
Для гальванически развязанной линии резисторы смещения следует подтягивать к «земле» и питанию со стороны изолированной линии.
Для защиты от помех экран витой пары следует заземлять в одной точке, при этом стандарт не оговаривает в какой, поэтому часто экран кабеля заземляется на одном из его концов. Иногда причиной возникновения ошибок при передаче сигнала является работающий поблизости радиопередатчик. Чтобы устранить влияние радиосигнала на передающий кабель достаточно установить высокочастотный конденсатор малой емкости между экраном кабеля и заземлением электрической сети порядка 1…10нФ.
Если приборы, объединенные в одну сеть, питаются от различных источников или находятся на значительном удалении друг от друга, то необходимо дополнительным дренажным проводом объединить «земли» всех устройств. Это правило исходит из того, что разность потенциалов между линией и «землей» по стандарту не должна превышать от минус 7 до плюс 12 В. В случае, когда устройства находятся на значительном расстоянии друг от друга, либо питаются от разных источников разность потенциалов на входе приемопередатчика может превысить в несколько раз допустимый диапазон, что приведет к выходу из строя приемопередатчика. При этом следует учитывать, что подключение устройства к сети RS-485 нужно начинать именно с дренажного провода, а производя отключение устройства в последнюю очередь отсоединять дренажный провод. Для ограничения «блуждающих» токов в дренажном проводе его следует подключать к каждой сигнальной земле через резистор номиналом 100 Ом мощностью 0,5 Вт, помимо этого необходимо через такой же резистор 100 Ом 0,5 Вт подключить дренажный провод к защитному заземлению. Рекомендуем осуществлять защитное заземление дренажного провода в одной точке, чтобы исключить постоянное протекание «блуждающего» тока через него по сравнению со случаем, когда дренажный провод заземляется у каждого устройства. Не следует использовать экран кабеля в качестве дренажного провода.
Рисунок 7 — Использование дренажного провода для уравнивания
потенциала «земель»
Для защиты сетей от синфазных перенапряжений и импульсных помех менее 2 кВ достаточно использовать приемопередатчики с гальванической развязкой. Если же высокий потенциал будет приложен дифференциально, т.е. к одному проводнику линии, то приемопередатчик будет поврежден, так как разность потенциалов между проводниками должна находиться в диапазоне от минус 7 до плюс 12 В.
Защита устройств сети RS-485 от дифференциальных перенапряжений составляющих десятки киловольт, например, попадание разряда молнии в линию, осуществляется за счет использования специальных защитных устройств. В простейшем случае все проводники линии шунтируются ограничителями напряжения на «землю» (рисунок 8а). Если заземление линии невозможно, то проводники линии шунтируются ограничителями между собой (рисунок 8б). Защита, организованная на варисторах, супрессорах, газоразрядных трубках, способна выдерживать лишь кратковременные всплески напряжения. Дополнительную защиту от токов короткого замыкания в линиях можно обеспечить при помощи установки в линию плавких предохранителей.
Рисунок 8 — Варианты защиты сети RS-485 от перенапряжений и импульсных помех
Как правило, устройства, работающие в сетях RS-485 помимо «терминаторов» имеют встроенную защиту от перенапряжений и импульсных помех. Подробнее об этом можно прочитать в руководстве по эксплуатации на конкретное устройство. Помимо этого на рынке существует множество готовых устройств подавления импульсных помех, принцип действия которых также основан на применении варисторов и газоразрядных трубок. Стоит лишь помнить, что каждое дополнительное устройство защиты, установленное в сети, вносит дополнительную емкость, эквивалентную емкости кабеля длинной 120…130 м.
1. Следует избегать прокладки витой пары совместно с силовыми цепями, особенно в общей оплетке. Линии связи должны находиться не ближе чем 0,5 м от силовых цепей. Пересечение линий связи с силовыми цепями (если этого не избежать) желательно делать под прямым углом. Не рекомендуется использовать в качестве витой пары кабели менее 0,326 мм 2 (22 AWG). Не допускается наличие «скруток» для сращивания кабеля.
2. При использовании витой пары типа UTP-5 свободные пары рекомендуется использовать в качестве дренажного провода, либо держать их в резерве, в случае повреждения главной витой пары.
3. Сеть должна иметь топологию «шина», не допускаются длинные ответвления от основной «шины».
4. Если для конечной системы не требуется высокого быстродействия, то не рекомендуется устанавливать скорость передачи данных «как можно выше». Наоборот максимальная надежность сети достигается на низких скоростях передачи.
5. Согласующие резисторы «терминаторы» устанавливаются в наиболее удаленных точках сети RS-485, обычно они уже смонтированы в устройствах пользователя, поэтому достаточно их только подключить перемычками или переключателями согласно руководству по эксплуатации на конкретное устройство. Сопротивление согласующих резисторов должно равняться волновому сопротивлению используемого кабеля, в противном случае их установка может только навредить.
6. В сетях, где возможно возникновение состояния неопределенности необходимо с целью минимизации ошибок и сбоев устанавливать защитное смещение порядка 250…300 мВ. Необходимо учитывать при этом, что ток потребления системы увеличится.
7. Для защиты от помех экран витой пары заземляется в любой точке, но один раз.
8. При питании удаленного оборудования от различных источников рекомендуется использовать дренажный провод для уравнивания потенциала «земель», при этом следует помнить, что подключение устройства к сети следует начинать именно с дренажного провода, а при отключении устройства в последнюю очередь отключать дренажный провод.
9. Для защиты оборудования, а так же обслуживающего его персонала рекомендуется использовать устройства, имеющие гальваническую развязку.
10. Не стоит пренебрегать дополнительными устройствами защиты от перенапряжений и импульсных помех.
Компания ООО «Энергия-Источник» предлагает следующие приборы для передачи и преобразования сигналов интерфейса RS-485:
Источник
