工控系統(tǒng)的通信抗干擾技術(shù)

一個(gè)工控系統(tǒng)常常由幾臺(tái)、幾十臺(tái)甚至更多的工業(yè)控制機(jī)組成各種形式的分布式測(cè)控系統(tǒng)。直接控制級(jí)（DDC）可以獨(dú)立完成本地的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，主站負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理。所有的機(jī)器連接成網(wǎng)絡(luò)互通信息，就可以完成以整體目標(biāo)為宗旨的相互協(xié)調(diào)配合，達(dá)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(jī)器協(xié)調(diào)一致的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，面對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重的干擾，提高通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力無(wú)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(jī)之間最常用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(hào)傳輸，而它的連接電纜把它所連接的兩臺(tái)機(jī)器的地又連接在了一起，因此，當(dāng)兩個(gè)地線(xiàn)之間的地電位不一致時(shí)，就有共模干擾電壓產(chǎn)生。于是就造成了嚴(yán)重的干擾，甚至燒毀接口器件。如果給RS232C加裝一個(gè)光隔電流環(huán)，就可以隔斷兩個(gè)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(jī)1的RS232C發(fā)送接口芯片1488，U2是工控機(jī)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(qū)動(dòng)。當(dāng)工控機(jī)1發(fā)送“0”時(shí)，U1輸出約+11 V，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(dǎo)通，其發(fā)射極輸出電流i。電流i通過(guò)通信線(xiàn)路，驅(qū)動(dòng)光隔管T2的發(fā)光二極管發(fā)光，使得T2的光電三極管導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出電壓約+11 V，接收芯片U2轉(zhuǎn)換該電壓成為T(mén)TL電平“0”。當(dāng)工控機(jī)1發(fā)送“1”時(shí)，T1、T2截止，通信線(xiàn)路沒(méi)有電流，T2的發(fā)射極輸出-12 V，U2轉(zhuǎn)換它成為T(mén)TL電平“1”。圖中的C1、D2，C2、D3起加速作用。本電路經(jīng)實(shí)際使用，可以構(gòu)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(jī)電源隔離的電源。接地點(diǎn)D1、D2、D3各自獨(dú)立于各自的體系，不能混接！由于工控機(jī)和外電路完全隔離，因此顯著地提高了工控機(jī)的抗干擾水平。

對(duì)RS232C進(jìn)行光隔電流環(huán)改造，隔斷了工控機(jī)與外界的電的聯(lián)系，顯著地提高了工控機(jī)的抗干擾能力。而且這種改造只是在插口上進(jìn)行，不涉及到工控機(jī)內(nèi)部的電路，因此簡(jiǎn)單易行。圖1省畫(huà)了工控機(jī)2發(fā)送到工控機(jī)1的通信接口電路，它與圖1是對(duì)稱(chēng)的。

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(yīng)當(dāng)選用更好的通信接口RS422A。

2.1 RS422A的抗干擾性能

圖2示出了RS422A通信接口連接圖。它采用的是差動(dòng)平衡驅(qū)動(dòng)和接收電路。由于差動(dòng)放大器具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，所以?xún)蓚€(gè)不同的地線(xiàn)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(zhì)的提高。圖中，75LS174、75LS175是RS422A接口使用的一種芯片，它采用單一的＋5 V供電，應(yīng)用方便。表列出了RS422A與RS232C的性能對(duì)比。從表中可見(jiàn)，RS422A的通信距離、速率和接口的性能等等都明顯地高于RS232C。

表 RS4232A與RS232C通信接口性能對(duì)比表

內(nèi)容
RS422A
RS232C

接口工作方式
雙端
單端

最大電纜距離(m)
1200
15

最大傳輸速率(bps)
10 M
20 k

驅(qū)動(dòng)器開(kāi)路輸出電壓(V)
兩輸出間為6 V
±25

驅(qū)動(dòng)器有載輸出電壓(V)
兩輸出間為2 V
±5～±15

驅(qū)動(dòng)器斷電輸出阻抗(Ω)
在-0.25～+6 V之間為100 μA
300

驅(qū)動(dòng)器輸出電流(mA)
±150
±500

接收器輸入阻抗(kΩ)
≥4
3～7

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(jī)網(wǎng)絡(luò)的物理層結(jié)構(gòu)。圖3是用RS422A構(gòu)成的星型工控網(wǎng)絡(luò)的接法。主站可以直接支持32個(gè)子站。用RS422A組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是主站可以全雙工方式與子站通信。但由于網(wǎng)絡(luò)需要4根線(xiàn)連接，并且接線(xiàn)也較復(fù)雜，因此，人們常常使用它的變型 RS485通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 RS485及其總線(xiàn)型工控網(wǎng)

RS485串行接口與RS422A接口使用同一種類(lèi)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(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)連接更簡(jiǎn)單。現(xiàn)在，RS485已成為很多工控機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的物理層結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)今最熱門(mén)的全數(shù)字(智能)、全分散、全開(kāi)放工控網(wǎng)絡(luò)Field bus，就是采用的RS485總線(xiàn)網(wǎng)。 圖4示意出了采用RS485組成的總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)的連接方法。圖中，75176是專(zhuān)門(mén)用于RS485的通信接口芯片，它把RS422A的發(fā)送和接收差動(dòng)放大器集成在了一起。每個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng)32個(gè)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(luò)的接口芯片。它們組合接續(xù)，可以構(gòu)成連通數(shù)十公里、數(shù)以百計(jì)工控機(jī)的工控網(wǎng)絡(luò)。

2.4 插頭方式轉(zhuǎn)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(gè)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(lái)延伸通信距離和提高通信速率。目前這種產(chǎn)品市場(chǎng)上已有成品出售。由于使用方便，無(wú)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(jìn)一步提高工控機(jī)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(jī)器之間仍然有電的聯(lián)系。要想更進(jìn)一步地提高工控機(jī)的抗干擾水平，應(yīng)當(dāng)把工控機(jī)與外界完全隔離開(kāi)來(lái)。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。

圖5 具有光電隔離的RS422A通信接口

其中，光電隔離管T1、T2選用的是TTL電路型的，型號(hào)為6N137。它的一次與二次側(cè)的延遲時(shí)間tpd只有75 ns，因此速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通光電三極管型的光隔管。因?yàn)槠胀ǖ墓飧艄艿膖pd為3～6 μs。由于T1、T2把工控機(jī)和通信接口都隔離開(kāi)了，因此工控機(jī)的抗干擾水平又上了一個(gè)臺(tái)階。圖中的75LS174和75LS175的三態(tài)控制端沒(méi)有畫(huà)出隔離控制電路。如果需要控制發(fā)送和接收時(shí)，可以使用普通光隔管，隔離工控機(jī)的開(kāi)關(guān)量輸出口就可以了。另外，由于工控機(jī)2發(fā)往工控機(jī)1的通信電路與圖5對(duì)稱(chēng)，因此也沒(méi)有畫(huà)出。

需要再次提醒的是通信接口的+5 V供電要使用獨(dú)立電源，即一定要與工控機(jī)電源隔離。而且G1、G2、G3三個(gè)地線(xiàn)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(xiàn)，可以提高抗電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾的能力，同時(shí)也很經(jīng)濟(jì)。在圖2中，L1、L2共一絞，L3、L4共另一絞。在圖4中的通信線(xiàn)是兩根，也要用共絞雙絞線(xiàn)。在圖5中通信線(xiàn)L1、L2共一個(gè)絞，電源線(xiàn)L3、L4共另外一個(gè)絞。雙絞線(xiàn)的屏蔽層最好單點(diǎn)接地。

雙絞線(xiàn)的終端要連接終端匹配電阻RT，減小網(wǎng)絡(luò)的反射，提高抗干擾能力。終端匹配電阻RT值最好取100～150 Ω，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(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)，而圖(b)的發(fā)送端串聯(lián)電阻匹配法多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)控制系統(tǒng)通信抗干擾技術(shù)，硬件措施是根本。應(yīng)當(dāng)根據(jù)工控現(xiàn)場(chǎng)的具體情況組織實(shí)施。無(wú)論是選購(gòu)現(xiàn)成的產(chǎn)品或者對(duì)其再進(jìn)行改造，都要胸有成竹。除此之外，還應(yīng)該采取必要的軟件抗干擾措施，例如CRC碼校驗(yàn)算法等作為補(bǔ)充。通信線(xiàn)路的屏蔽和接地的操作，在另文《工控系統(tǒng)的屏蔽和接地抗干擾技術(shù)》中討論。通信線(xiàn)路的防雷方法，可以采用TVP瞬變電壓抑制器吸收，請(qǐng)參見(jiàn)另文《工控系統(tǒng)的電源抗干擾技術(shù)》。