2018年01月26日 | 一种具有高可靠性的485 Hub星型总线

一、 概述

一些变电站采用支持多节点远间隔通讯的RS-485总线作为局部监控系统的通讯网络，但是由于485总线的物理结构决定了在变电站强电磁环境的通讯过程中需要解决其节点间存在的相互干扰这一题目，以此进步系统的可靠性。

二、 节点间的相互干扰对总线的影响

485总线上所有的下位机共享一个信号通道，这种物理结构增加了节点间的公共阻抗耦合，节点之间产生相互干扰，因此在很大程度上降低了系统的可靠性。

首先，变电站的变压器、中控室以及输电线都会通过辐射在四周的通讯线上感应出干扰电压，我们在对485总线上某一节点A丈量时发现：

丈量结果显示：节点间的电磁耦合对感应电压的幅值及频率都有很大影响。由于通讯线为双绞线，两根通讯线上的感应电压可以为幅值及相位均相同的共模电压。但是双绞线的扭曲不可能完全一致，节距也不尽相等，所以线间会出现差模电压。根据文献[1]提供的丈量共模电压累计概率分布图及概率公式，计算出 共模电压落进差模电压的概率为 ，而485驱动/接收器接收到 的电压时就会动作。因此，节点间的相互干扰增加了共模电压数值以及出现差模信号的比例，从而增大系统误动作的概率。

其次，变电站变压器开关动作时将产生瞬变电磁场。为某500kV变电站隔离开关断开时，某控制信号线中感应出的暂态电压电流波形。

可以看出，变压器四周或者与之相连节点的信号线上的瞬间感应电压/电流均远高于485驱动/接收器的阈值电压(12V)/电流(250mA)，因此，没有良好的限压装置将烧毁节点的485驱动/接收器，更危险的情况是，总线上其它的节点将通过公共回路的耦合，必然感应出相同幅值的高压，使总线上所有的节点都受到影响。

最后，变电站室外通讯电缆屏蔽层会由于自然磨损、施工不当或恶意破坏等因素，出现两根通讯线短接，致使总线上一直处于逻辑0的状态。根据RS-485协议，下位机把其解释为一个新的数据起始位并且试图读取后续的数据位，由于永远不会有停止位, 这便会产生一个帧错误结果,因此也就不会再有节点请求总线，网络将陷于瘫痪状态。

三、 解决方法

尽管可以通过改善变电站现场工作环境，降低电磁污染，增加限压装置以及利用短路偏置等方法进步RS-485总线的稳定性，但是，不从根本上往隔离出现故障的节点，整个总线系统都将无法工作，因此只有进步总线自身的可靠性，才能保证系统稳定工作。基于此，本文所提出的485 HUB 星型总线一方面从物理结构上完全隔离节点，同时还从软件上进步抗干扰能力，减少相互间干扰。

3.1 物理隔离

485 HUB中，采用与下位机数目相同的485驱动/接收器，分别与所有节点逐一对应，各自独立完本钱节点的发送/接收数据包的任务。首先，HUB上的单片机截获上位机发送的数据包，进行地址确认后，控制HUB中与这个地址节点相对应的485驱动器输出使能端，再将截获的数据包原封不动的发送给驱动器，发送完成后，自动将驱动器转换为接收器，等待下位机的反馈信息。HUB中其它485驱动/接收器的使能端没有受到控制指令，不改变状态，只有选通的节点独立通讯。

3.2 软件设计

在程序中加进信息的多重判定、自动检验、系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复等语句，一旦出现差模干扰导致的误码和乱码，经过程序辨别后，可以直接屏蔽。

为了防止干扰导致程序失控陷进死循环，采用时间监视器Watchdog芯片Max813L，监控程序的运行以及单片机的电源供电。

3.3 数据隔离

数据隔离的目的是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开，使现场执行装置与上位控制主机保持信号联系，但不直接发生电的联系。在485 HUB中，在反馈信息的回路中加进高速光电耦合隔离器6N137，使夹杂在输进开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输出回路的一侧。

1. 从丈量值中可以看到，485 HUB中节点之间的干扰明显减小，物理隔离保证了节点的独立性。

2. 经过试验验证，485 HUB中即使某节点发生短路故障，其它节点仍能正常工作。

3. 由于变电站的实际情况，本次测试没有捕捉到变压器开关动作时HUB真个感应电压，但通过实验室环境模拟，当高于驱动器阈值的瞬态脉冲电压出现在某路节点的通讯线上时，其它节点没有受到干扰。

因此，485 HUB星型总线保证了当一路节点出现强电磁干扰或短路题目时，不会影响总线的其它节点，进步了MTBCF ，降低了MTTR，系统的可靠性得到改善。

四、 结论

就其物理结构而言，这种485 HUB星型总线不同于传统意义上的485总线，每个485驱动/接收器并没有实现一发多收的总线功能，而是以点对点的星型连接实现了485 HUB的功能，可以说本方案中系统可靠性的进步是以增加485驱动/接收器的数目为代价的。但是，485 HUB结构简单，对工作环境要求不高，其高可靠性和稳定性特别适用于变电站这种远程控制系统，因此就其性价比而言，超过了传统的485总线。

RS-485 HUB星型总线已经运用在一些变电站远程控制系统中，运行稳定，抗干扰能力较之以前有所进步，可以满足现场要求。

参考文献：

[1] 禄贵祯 蒋克华 通讯系统中的电磁兼容理论与技术[M] 北京广播学院出版社 2000

[2] Jan Axelson (著) 精英科技 (译)串行端口大全[M] 中国电力出版社 2001

[3] 孙竹森 张禹芳 张广州等 500KV变电站的电磁骚扰和防护措施的研究(一) 高电压技术[J] 2000年2月