RS485总线在工业现场应用中一种安全机制的实现

吴梅梅

（河北软件职业技术学院 网络工程系，河北 保定 071000）

0 引言

RS485总线是一种基于信号差分的传输总线，其采用负逻辑，+2V～+6V表示0，-6～-2V表示1，基于其传输距离远、价格低廉、实现简单等特点，在工业现场分布式系统中应用极其广泛。

复杂的工业现场环境一般采用分布式系统。控制器和现场变送器传输距离较远，一般情况下RS485总线系统节点其电源供电和信号总线统一从控制器走线，这样就可以节约施工成本。本文提到的系统采用两线制RS485总线，电源供电为集中供电方式，即从主控制器提供电源。此系统在施工和调试过程中会出现信号短接或者误插信号线和电源线的状况，容易导致系统端口烧毁甚至使系统瘫痪，从而增加了系统维护成本。基于此，本文提出了一种电源、信号隔离方案来解决上述问题。方案中现场变送器具有带电插拔、防错插拔、电源和信号线缆错误连接保护、防止户外雷击等特点，本方案配合可靠的软件协议机制并在工程应用中得到了验证。

1 系统组成

系统分为两部分，即控制器和变送器。系统架构如图1所示。控制器一般放置在中央控制室中，由工作人员随时监控现场变送器运行工作状态。图中四路线缆分别为+24V、Ground、RS485-A、RS485-B。系统采用主从模式进行通信，即一个主机带多个从机。

图1 系统架构

2 系统架构

本文重点介绍变送器单元的电源、信号隔离方案以及RS485信号端口保护方法。在讲述此方案之前先了解一下系统电路功能结构，图2为变送器功能电路结构。

3 系统实现

上图1-2中变送器单元主要由4～20mA信号调理电路、DC/DC电源隔离、信号隔离放大、RS485单元处理、显示单元、地址设置单元、蜂鸣器声光报警、看门狗电路、4～20mA输出几个单元组成。地址设置单元在系统中区别于其他变送器单元。

图2 变送器功能电路结构

系统内部隔离方法的主要工作机理是通过DC/DC使电源供电部分隔离，信号部分也隔离。从而使图中RS485接口、24V电源接口在错误连接的情况下不能够形成回路，达到保护RS485接口芯片的效果。以下针对信号隔离和电源隔离部分的实现来介绍。

3.1 信号隔离

传感器输入单元微弱电压信号然后通过信号放大调理成标准4～20mA电流信号，通过光电隔离放大器芯片HCNR201实现电气的隔离。将4～20mA电流信号隔离后转换为电压信号，然后通过ADC转换芯片由中央处理单元采集数据并处理，之后通过RS485发送。HCNR201芯片具有线形度好、精度高的特点。具体实现方法如图3所示。

图3 信号隔离

3.2 电源隔离

首先变送器从控制器单元获取直流24V电源。为防止在生产过程和现场调试环节中由于电源供电信号线缆接反而烧坏后级电路，电路中增加了电桥功能，可自动做到电源线反向识别。具体实现方法如图4所示。

图4 电路隔离

3.3 RS485接口安全防护

由于工业现场环境比较复杂，存在雷击的风险。因此在RS485接口对差分信号和共模信号进行了两级信号保护。第一级信号D6、D7、D8使用防雷放电管实现，主要用于瞬时过压保护，用它将感应雷击产生的电压限定在较低的水平，同时放电管被击穿放电，其阻抗迅速下降，几乎呈现短路状态，此时，放电管将有害的电流通过大地线放掉，将电压钳位在较低的水平，当感应雷击消失后，放电管又迅速恢复到高阻抗状态。第二级使用TVS管实现。防雷管首先进行能量限制，然后TVS管D2、D3、D4进行第二级能力限制，将能量电压限制6.8v，在RS485的信号输入端共模输入电压范围为-7～+12V。R2、R6选用大功率小阻抗的电阻（10欧姆1瓦）可以承受很大的瞬态功率，起到隔离一二级电路的功能，具体实现方法如图5所示。

图5 RS485接口安全防护

4 隔离分析

在现场安装过程中有四根线缆需要和变送器单元进行线路连接。采用如图1所述方案可以避免由于安装错误造成烧毁系统的情况。从图2可以看到虚线左右两边为不同的地，所以在接错的情况下不会存在电流回路，从而起到保护电路的作用。但是存在另外一种情况，即当24V电源接到如图5中RS485信号线上两级信号保护电路时，F2和F4为压敏电阻增大起到过流保护的作用，双向TVS管和防雷放电管起到过压保护的作用。同时电流信号会流到机壳保护地上，从而达到了保护后级RS485收发器的功能。

5 实验

传统的RS485分布式系统将信号线和电源线接错会导致烧毁RS485收发器，甚至造成总线故障，使整个系统瘫痪。采用以上介绍的方案，即使在现场接错线缆的情况下，也不会烧毁RS485收发器。从应用角度分析具有现实意义，并在产品中得到了验证。为了方便区分，试验中我们使用不同颜色的线缆。以下表格为具体试验，针对4根线缆（两根电源线、两根信号线）采用组合方式分析，实验结果如表1所示。

6 结束语

本文针对RS485总线在工业现场应用中存在的安全隐患，提出了自己的解决方案，即采用总线隔离和供电电源隔离方法，在实际应用中收到了很好的效果，大大提高了系统的稳定性，为产品维护节约了大量成本，具有一定现实意义。

［1］HCNR201数据手册［Z］.http://www.home.agilent.com/.

［2］Max1487数据手册［Z］.http://www.maxim-ic.com.

［3］瑜宗泉，瑜晗，李建民.MCS-51单片机原理与应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006.