可编程控制器RS-485通信接口防护设计

可编程控制器RS-485通信接口防护设计
侯金华;杨根科;琚长江;薛吉;江浩
【摘要】阐述了可编程控制器的RS-485通信接口几种防护设计方法。

分析了国家标准,确定可编程控制器的RS-485抗干扰设计指标,提出了针对性的抗干扰设计,同时进行了搭接防护设计。

最后通过测试对设计进行了验证。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2014(000)024
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】可编程控制器;RS-485;抗干扰;搭接防护
【作者】侯金华;杨根科;琚长江;薛吉;江浩
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TM764.2
RS-485是工业控制系统最常用的一种现场总线,也是可编程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)产品最常见的通信接口。

工业现场充斥着各类干扰噪声,如静电、雷击(直接雷、感应雷)、高频电磁辐射、传导干扰等。

RS-485通信接口是PLC与其他设备的数据交换接口,对系统正常运行至关重要。

RS-485通信线缆一般走线很长,容易感应工业现场各类干扰信号,因此其抗干扰性能关系到PLC甚至整个控制系统的可靠性。

同时,在布线或运行过程中,由于接线错误或故障等原因,有一定概率会出现RS-485
通信线与220/380 V电力线搭接的状况。

为确保PLC在此类状况下不出现损坏(排除故障后RS-485可正常通信),可提高产品容错能力及健壮性,为客户创造价值。

由PLC产品国家标准GB/T 15969.2—2008《PLC 第2部分:设备要求和测试》,
根据电源配电、输入输出接线等因素将工厂环境划分为3个EMC抗干扰区[1]。

EMC抗干扰区域划分如图1所示。

3个EMC抗干扰区分别为A、B和C,干扰强度由弱到强。

其中,C区为工厂电网(通过专用变压器与公共电网隔离),第1级电涌保护和严酷的干扰耦合;B区为专用
配电,第2级电涌保护和中等等级的耦合工业干扰;A区为本地配电，第3级保
护,I/O阻抗限制和低等级耦合干扰。

PLC应用场合为A区或B区,因此产品应符合B区(包含A区)的抗EMC要求。

根据该标准规定,B区场合下,PLC的RS-485通信接口需满足的主要EMC指标如
表1所示。

静电放电(ESD)是指两个具有不同静电电位的物体,由直接接触或静电感应而引起的两物体间静电电荷的转移，当静电能量达到一定程度后,击穿其间介质而进行放电
的现象。

RS-485通信接口A、B接线端子为可触碰的金属部件,具有产生静电放电的可能性。

RS-485通信接口防静电采取在A、B通信线上并联齐纳二极管的措施。

静电放电时,齐纳二极管快速击穿,将电压钳位在安全范围,阻断静电高压损坏芯片。

在该设计中选取了一款内置齐纳二极管的RS-485芯片,标称ESD防护能力达到16 kV(HBM),满足设计需求。

电涌分为共模和差模[2]。

共模电涌防护措施有旁路和隔离两种;差模电涌防护措施
主要是旁路。

共模电涌旁路防护是指在RS-485信号线与大地之间并联放电管,将电涌干扰旁路
到大地;共模电涌隔离防护是指采取光耦隔离等方式将RS-485参考地与大地隔离
开来,达到阻断共模电涌电流的目的。

由于隔离方式还具备抑制其他类型共模干扰
作用,因此该设计采取隔离方式进行共模电涌抑制。

差模电涌防护采用瞬态二极管(TVS管)。

RS-485防电涌电路如图2所示。

图2中,RS-485收发器和MCU的3路信号线RXD、TXD、RTCTL(收发控制信号),均经过光耦进行电气隔离，实现了电气悬浮。

共模电涌是施加在信号线与大地之间的电涌信号。

当RS-485通信信号线A、B上产生对大地的共模电涌干扰噪声时,隔离将阻断共模电流的形成,从而达到保护电子
电路的效果。

根据PLC的RS-485防共模电涌1 kV的指标,设计中选取的光耦和
隔离电源模块隔离电压均大于1 kV,并且PCB布线时,隔离电气信号距离要足够远。

TVS与限流电阻共同作用,起到抑制差模电涌的作用。

当信号线上有差模电涌信号
干扰时,TVS管迅速(ns级)被击穿,从而将差模电涌信号钳位在较低的安全电平,起到对内部电路保护的目的。

2个限流电阻用于限制TVS管电流,使其不会因过流而损坏。

设计中采用的TVS管规格为6.8 V、600 W,限流电阻可选取阻值为10 Ω、额定功率为1 W的绕线电阻(额定功率过小容易被烧断)。

故障保护是指为处于故障(开路)状态或接收闲置状态的RS-485总线提供差分电压的技术,目的是让RS-485总线收发器的接收机输出维持在逻辑高电平状态。

RS-485总线为差分信号驱动,当AB间压差大于200 mV时,接收器输出为高;当AB 间压差小于-200 mV时,接收器输出为低;当AB间压差处于-200～200 mV时,接
收器输出状态不定[3]。

故障保护电路设计如图3所示。

为达到故障保护的目的,将A通过上拉电阻上拉到高电平,并将B通过下拉电阻下拉到地。

上拉电阻与下拉电阻一般取相同阻值,阻值有一定要求,需使得在AB端接120 Ω匹配电阻状况下,总线空闲时AB端压差依然大于200 mV。

上、下拉电阻阻值应满足式(1)的要求。

式中: R——上、下拉电阻阻值;
RT——外接匹配电阻阻值;
U——上拉高电平电压值。

设计中,取RT=120 Ω,U=5 V(5 000 mV),代入式(1)计算得出R<1 440 Ω。

因此,实际应用中选取上拉电阻及下拉电阻的阻值为1.2 kΩ。

RS-485总线,由于布线错误或线路故障等因素,有可能与220/380 V电力线搭接。

为防止搭接状况下损坏设备,需进行防护设计。

RS-485防搭接设计如图4所示。

图4的设计将图3中的限流电阻改为PTC热敏电阻。

当A、B信号线搭接在电力线上时,引入的高压通过PTC热敏电阻、TVS形成回路,TVS两端电压被钳位,RS-485收发器得以保护。

同时,PTC阻值会迅速增大,限制回路电流值,起到保护TVS的作用。

当故障排除后,PTC恢复正常值,RS-485仍可正常通信。

设计中PTC选用动作电流100 mA、抗380 V过电压的PTC热敏电阻。

针对设计完成的PLC的RS-485口进行了静电放电及电涌测试,测试结果如表2所示。

测试结果证明,设计达到指标要求。

故障保护功能测试也证明故障保护设计是有效的。

当A、B通信线悬空,RS-485处于接收状态时,接收机稳定在高电平,MCU不会接收到乱码数据。

即使外部端接120 Ω匹配电阻后,功能依然正常。

搭接防护功能测试中,PLC断电状态下将A、B信号线直接接入380 V交流电,RS-485收发器AB端波形如图5所示。

可见保护电路将接入的高压限制到安全电压范围内。

将380 V交流电保持5 min 之后去除,然后进行测试,通信口正常。

在PLC通电状态下进行相同测试后,RS-485口依然通信正常。

测试结果证明防搭接设计是非常有效的。

应用于工业现场的PLC的RS-485口防护对系统稳定性至关重要。

本文针对PLC 的RS-485通信口进行了多项抗干扰设计,并通过测试验证。

设计的防护方法对提高PLC及控制系统可靠性具有重要意义。

【相关文献】
[1] GB/T 15969.2—2008 可编程序控制器第2部分:设备要求和测试[S].
[2] 郑军奇.EMC设计与测试案例分析[M].北京:电子工业出版社,2007.
[3] GINGERICH K.Failsafe in RS-485 data buses [G].。