Показать сообщение отдельно
Старый 01.04.2009, 14:21   #4
Arsie
Сотрудник Segnetics
 
Аватара для Arsie
 
Регистрация: Jan 2006
Адрес: Russia, SPb
Сообщения: 18 019
Благодарил(а): 15 раз(а)
Поблагодарили: 655 раз(а) в 599 сообщениях
Lightbulb Практика разводки сетей RS-485

А эту статью я уже сочиняю сам (30 марта 2009 года, Евдокимович Арсений)


Практика разводки сетей RS-485


Цель настоящей статьи - предоставить базовые понятия по выбору элементов соединений для сетей на основе RS-485.


Кабель

Кабели, по которым осуществляется передача данных, могут быть совершенно разными. Это могут быть отдельные провода, витые пары различных типов: экранированные и неэкранированные. Однако, чем ближе применяемый кабель к рекомендациям, данных в предыдущей части статьи, тем больше вероятность, что построенная вами сеть будет функционировать быстро и надёжно.


Обычные провода. Если вы используете контроллеры Segnetics, то вы уже наверняка создавали сеть простейшего вида. Она идёт вразрез со всеми рекомендациями, но работает довольно таки устойчиво и на максимальной скорости. Эта сеть была создана вами для загрузки программы и соединяла конвертер, подключенный к компьютеру с контроллером (Рисунок 1).




Рис. 1. Простейший кабель - два обычных провода. Для связи на расстояниях до 10 метров нет ничего предосудительного в их использовании даже без согласующих резисторов и общего провода.

Однако, не стоит считать, что на малых расстояниях (например, внутри щита) совсем не нужно обращать внимание на разводку сети. Если контроллеры имеют разные источники питания, то дренажный провод будет совсем не лишним. Рано или поздно это обязательно пригодится! Другое дело, что предохранители и токоограничивающие резисторы скорее всего будут лишней тратой и сил и денег.


Витая пара. Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованием обычных одиночных проводов, он должен использоваться с проводкой, обычно называемой "витая пара".




Рис. 2. Витая пара для больших токов.




Рис. 3. Витая пара для передачи видеосигнала.




Рис. 4. Всем знакомые "компьютерные" витые пары (слева направо): UTP, FTP и STP.


Любая витая пара лучше, чем два одиночных провода, но параметры этих витых пар далеки от рекомендуемых. Это не позволяет организовывать протяженные устойчивые сети на базе RS485.

Например, силовая пара не имеет экранирования и определённого волнового сопротивления. Однако, большое сечение проводников и высокая устойчивость к излому, позволяет использовать её в высоконагруженных (большое количество контроллеров) сетях малой протяжённости (десятки метров).

Видеокабель характеризуется малым затуханием сигнала и прекрасной изоляцией. Но имеет волновое сопротивление всего 75 ом и поэтому высоконагруженную сеть на его базе построить не удастся. Однако, если в проводке здания такой свободный кабель уже присутствует, то для связи на сотню-другую метров между парой-тройкой контроллеров и компьютером он вполне сгодится.

Компьютерные витые пары, кроме своей откровенной дешевизны и большой вероятности, что они уже наверняка проложены в проводке здания, отличаются большим электрическим сопротивлением проводников, обусловленным их малым сечением. Это накладывает ограничение на общую нагрузку в сети. При этом волновое сопротивление кабеля близко к 100 Омам, что является неплохим показателем. На таком кабеле вполне достижимы расстояния в 300-400 метров между двумя контроллерами или контроллером и компьютером. При увеличении количества контроллеров в сети дальность связи падает - сказывается малое сечение проводников.

При использовании "компьютерных" или видеокабелей знаковым признаком перегрузки сети является всякое пропадание связи при добавлении в сеть ещё одного контроллера. Знаковым признаком превышения допустимой длины кабеля является отсутствие связи между самыми дальними контроллерами в сети, но связь между более ближними контроллерами при этом функционирует устойчиво и без замечаний.

Применение специализированного кабеля во многих простейших случаях обойдётся в гораздо большие деньги, не имея при этом никаких веских обоснований, кроме как "так положено по стандарту". Но и устойчивость сети такие кабели дадут в разы, а то и на порядки большую.


Витая пара для RS485. Специализированные кабели можно поискать в интернете в любой поисковой машине по запросу "кабель eia-485": Поискать в Рэмблере

Вот неполный список специализированных кабелей, которые легко найти за несколько минут:

КИПЭВ Nx2×0,6
КИПЭП Nx2×0,6
КИПЭВнг-LS Nх2х0,6
КИПЭВКГ и КИПЭПКГ Nx2×0,6
КИПЭВКГнг-LS Nх2х0,6
КИПЭВКВ и КИПЭПКП Nx2×0,60
КИПЭВКВнг-LS Nх2х0,60
КИПЭВБВ и КИПЭПБП Nx2×0,60
КИПЭВБВнг-LS Nх2х0,6
КИПвЭВ Nx2×0,78
КИПвЭП Nx2×0,78
КИПвЭВнг-LS Nх2х0,78
КИПвЭВКГ и КИПвЭПКГ Nx2×0,78
КИПвЭВКГнг-LS Nх2х0,78
КИПвЭВКВ и КИПвЭПКП Nx2×0,78
КИПвЭВКВнг-LS Nх2х0,78
КИПвЭВБВ и КИПвЭПБП Nx2×0,78
КИПвЭВБВнг-LS Nх2х0,78


Применение специализированного кабеля позволит построить гарантированно беспроблемную и работающую сеть передачи данных на базе любых устройств, использующих RS485.



Согласующие резисторы

Согласующий резистор - это просто резистор, который установлен на крайних концах кабеля (Рис. 5). В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля.


Рис 5. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля.

Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно. Значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных.

Контроллеры Segnetics имеют встроенные согласующие резисторы (так называемые "терминаторы" - такое название дано им потому, что они уничтожают рассогласование). Номинал согласующих резисторов, установленных в контроллере равен 120 омам. В заводской настройке контроллера согласующий резистор отключен. При необходимости, его можно включить, просто установив нужную перемычку:




Рис. 6. Расположение перемычек в контроллере SMH2010.





Рис. 7. Расположение перемычки в контроллере Pixel.


Внимание! Конвертеры USB<->RS485 или RS232<->RS485 зачастую не имеют встроенных согласующих резисторов! Поэтому нужно использовать внешний согласующий резистор, который подключается напрямую к клеммам конвертера:




Рис. 8. Использование внешнего сопротивления для согласования кабеля.



Максимальное число передатчиков и приемников в сети


Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного управляющего устройства (например, контроллер) и одного управляемого (например, преобразователь частоты). Расстояние между ними редко превышает десять метров.

Более сложные сети имеют, кроме управляющего устройства, ещё несколько управляемых. В этом случае сеть имеет не очень большую протяжённость (максимум десятки метров) и имеет стабильные условия функционирования. Под стабильностью условий подразумевается, что все устройства сгруппированы на довольно-таки маленькой площади (внутри шкафа или два-три рядом расположенных шкафа) и в процессе эксплуатации оборудования отсутствуют такие неожиданности, как неумелое расположение силовых кабелей и оборудования монтажниками сторонних организаций.




Рис. 9. Пример локальной распределённой системы управления.


Самую большую сложность имеют сети, использующиеся для диспетчеризации. Как правило они совмещают максимальную протяжённость и большое количество опрашиваемых устройств, размещённых по всему зданию.

В этом случае легко достигнуть предела нагрузочной способности сети: 31 шкаф управления с одной стороны и конвертер с компьютером с другой стороны.

Кроме этого, не всегда достаточно и допустимой длины сети (1000 метров).

И, наконец, появляется проблема пропускной способности сети.



Сети диспетчеризации


Как упоминалось выше, при создании высоконагруженной и протяжённой сети возникает четыре проблемы:

1) Большая протяжённость сети.

2) Большое количество устройств в сети.

3) Высокий уровень помех в сети.

4) Ограниченная пропускная способность сети.


При этом, последняя проблема всегда является следствием первых трёх.


Большая протяжённость сети. Стандартом RS-485 общая длина линии связи ограничена 1000 метрами. Обойти это ограничение собственными силами контроллеров невозможно (в пределах поставленной задачи).

Однако, существуют специальные усилители сигналов RS-485. Они называются "Повторители" или "Репитерами" (Repeater). Их назначение состоит в том, чтобы ретранслировать все сигналы, проходящие по сети.

Таким образом, подключив в компьютеру, например, 10 шкафов управления на расстоянии 500 метров, подключаем к концу полученной сети повторитель и получаем ещё 1000 метров допустимой длины! Таким образом, устанавливая повторители, сеть можно наращивать до довольно-таки больших расстояний (десятки километров).




Рис. 10. Пример увеличения дальности связи до 2 км за счёт использования повторителя.



Большое количество устройств в сети. Стандартом RS-485 нагрузочная способность сети ограничена 32-мя устройствами. Т.е. это компьютер + 31 шкаф управления. Обойти это ограничение собственными силами контроллеров невозможно (опять же, в пределах поставленной задачи).

Повторители решают и эту проблему. Сеть может состоять из множества сегментов: компьютер, 10 шкафов управления, повторитель, ещё 10 шкафов. И ещё и ещё...

Нужно только обязательно помнить, что повторитель такое же устройство, как и контроллер: он нагружает сеть и для него существуют все правила подключения, которые описывает стандарт RS-485.


Высокий уровень помех в сети. Повторители, кроме усиления сигнала, становятся преградой для многих видов помех. А повторители с опторазвязкой формируют электрически изолированные друг от друга сегменты одной сети. В этом случае даже кабели, применяемые в сегментах, могут быть с различными характеристиками!

Но с помехами внутри сегмента они бороться не могут. С этим уже придётся справляться как проектировщику (закладывая в проект оптимальные типы кабелей и трассы их прокладки), так и наладчику (выбирая правильную точку заземления экрана кабеля и подбирая нужную скорость передачи данных в сети).


Ограниченная пропускная способность сети.

При использовании Modbus-RTU (мастер по очереди опрашивает слейвы), время полного опроса всей системы пропорционально количеству устройств. Например, если опрос занимает передачу десятка байт туда и обратно, на скорости 9600 это займет 20 миллисекунд. Немного? А теперь умножьте на 256 – получите 5 секунд. Если для пожарной системы это еще может быть приемлемо, то для системы контроля доступа, пожалуй, тяжело найти клиента, готового ждать 5 секунд после поднесения карты. Многие за это время выломают дверь и еще и настучат по голове тому, кто такую систему установил.

Поэтому, планируя большую и разветвлённую сеть, обязательно просчитывайте трафик и частоту опроса в этой сети. Что толку считывать 10 раз в секунду показания датчика наружной температуры, если достаточно одного раза за 10 минут. И это касается абсолютно любой переменной, "путешествующей" в сети.


Длинные линии связи. Подбор согласующего резистора и скорости обмена.

На практике номинал согласующего резистора (терминатора) может выбираться и бóльшего номинала, чем волновое сопротивление кабеля, поскольку омическое сопротивление того же кабеля может оказаться настолько велико, что амплитуда сигнала на приёмной стороне окажется слишком мала для устойчивого приёма. В этом случае ищут компромисс между резонансными и амплитудными искажениями сигнала, уменьшая скорость интерфейса и увеличивая номинал резистора. На скоростях 9600 бит/с и ниже волновые, резонансные явления в масштабах, способных ухудшить качество связи, не проявляются, и вопроса согласования линии не возникает. Даже более того, при низких скоростях передачи (менее 9600 бит/с) терминальный резистор не улучшает, а ухудшает надежность передачи в длинных линиях связи.

Ещё один источник искажения формы сигналов при передаче через витую пару — разная скорость распространения высокочастотного и низкочастотного сигнала (высокочастотная составляющая распространяется по витой паре несколько быстрее), что приводит к искажению формы сигнала при высоких скоростях передачи.




==============================================

Статья дописана до этого момента. Продолжение следует!




Неправильное расположение терминатора

На рисунке 9 согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть еще кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведет к дополнительным отражениям.



Рис. 9. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).


Длинные ответвители

На рисунке 11, кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель - stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.



Рис. 11. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением.


Защита устройств от перенапряжений в линии связи.

Разность потенциалов между проводниками линии и между линией и "землей" приемопередатчика, как правило, не должна выходить за пределы -7...+12 В. Следовательно, может потребоваться защита от разности потенциалов между "землями" и от перенапряжений из-за замыкания на высоковольтные цепи.


Разность потенциалов между "землями".

При организации сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать неявное присутствие третьего проводника - "земли". Ведь все приемопередатчики имеют питание и "землю". Если устройства расположены недалеко от начального источника питания, то разность потенциалов между "землями" устройств в сети невелика. Но если устройства находятся далеко друг от друга и получают местное питание, то между их "землями" может оказаться существенная разность потенциалов. Возможные последствия - выход из строя приемопередатчика, а то и всего устройства. В таких случаях следует применять гальваническую развязку или дренажный провод.

Гальваническая развязка линии и устройств осуществляется опторазвязкой цифровых сигналов с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков. Тогда вместе с дифференциальными проводниками прокладываются провод изолированной "земли" (сигнальной "земли"). Для того, чтобы снять ненужный наведённый потенциал с сигнальной "земли", рекомендуется объединить её с "землёй" питания или специальной клеммой "нулевого потенциала" (GND) каждого устройства через какое-нибудь большое сопротивление (от сотен килоом до единиц мегаом). Если использовать меньшее сопротивление, можно свести на нет все преимущества опторазвязанной линии связи.



Рис. 12а. Выравнивание потенциалов в сети RS-485, используя провод изолированной "земли".


Дренажный провод - провод, прокладываемый вместе с витой парой и соединяющий "земли" удаленных устройств, не имеющих гальванической развязки приёмопередатчиков. Через этот провод уравниваются потенциалы "земель" таких устройств. При включении устройства в линию дренажный провод следует подсоединять первым, а при отключении - отсоединять последним. Для ограничения тока через дренажный провод, его заземляют через резистор в 100 Ом мощностью 0.5 Ватт.



Рис. 12б. Выравнивание потенциалов в сети RS-485, используя отдельный "дренажный" провод.


Замыкание на высоковольтные цепи.

Если существует опасность попадания на линию или одну из местных "земель" высокого напряжения, применяют опторазвязку или шунтирующие ограничители напряжения. А лучше и то и другое.

По состоянию на весну 2009 года, в контроллерах Segnetics опторазвязка присутствует только у контроллера SMH2010, оснащённого дополнительным портом RS485 (модификации SMH2010C-ххх2). Основные порты RS485 контроллеров Pixel и SMH2010 не имеют опторазвязки. Однако, любой тип портов на контроллерах имеет встроенные шунтирующие ограничители напряжения.

Напряжение пробоя опторазвязанного интерфейса составляет сотни и даже тысячи вольт. Это хорошо защищает устройство от перенапряжения, общего для всех проводников линии. Однако, при дифференциальных перенапряжениях, когда высокий потенциал оказывается на одном из проводников, сам приемопередатчик будет поврежден.

Для защиты от перенапряжений все проводники линии, включая изолированный общий, шунтируются на локальные "земли" при помощи ограничителей напряжения. Это полупроводниковые ограничители напряжения. При наличии в линии напряжения выше порогового их сопротивление резко падает, и они шунтируют линию.

Защита ограничителями напряжения действенна при кратковременных перенапряжениях. При длительных - токи короткого замыкания могут вывести ограничители из строя, и устройства на линии окажутся без защиты.

Если кабель подключен к контроллеру через плавкие предохранители, как показано на рисунке 13, то предохранители сгорают раньше, чем порт или его защита успевают получить какие-либо повреждения.



Рис. 13. Защита контроллера от перенапряжений в сети, используя предохранители.


Дополнительные меры защиты от помех.


Диагностика. Если есть возможность выбора маршрута прокладки кабеля с замером уровня помех - не стоит ей пренебрегать. Даже если программная коррекция ошибок успешно справляется со сбоями, нужно сделать все, чтобы физически снизить уровень помех в линии. Полезно предусмотреть в программе диагностический режим, в котором накапливалась бы статистика сбоев, отрабатываемых программной коррекцией (провал по контрольной сумме или тайм-ауту, рисунок 14). Если сбоев слишком много, желательно поработать над поиском и устранением их причины. Снижение скорости связи (бодрейта) во многих случаях повышает помехоустойчивость. Не имеет смысла устанавливать скорость обмена больше, чем необходимо для нормальной работы системы, если только не требуется запас на модификацию.



Рис. 14. Блок диагностики сети, наглядно отражающий типы происходящих ошибок.


Прокладка кабеля. По возможности не следует проводить витую пару вдоль силовых кабелей, тем более в общей оплетке, так как существует опасность наводок от силовых токов через взаимную индуктивность. Силовое оборудование, коммутирующее большие токи, также является источником помех. Некачественная витая пара с асимметричными характеристиками проводников - еще один источник проблем. Чем меньше шаг витой пары (чаще перевиты провода) - тем лучше. Даже если не применяется опторазвязанная линия или дренаж, стоит сразу провести кабель с запасной витой парой - на случай, если произойдет обрыв первой или все же понадобится провести сигнальную землю. Также не рекомендуется проводить несколько линий связи в одном кабеле. Таким примером являются кабели типа STP-5 и UTP5, имеющие несколько витых пар внутри одного кабеля. В этом случае нужно использовать ровно столько кабелей, сколько линий связи вы хотите использовать. Кабели лучше использовать экранированные, это улучшит помехозащищённость линий связи друг от друга.


Экранирование и заземление. В промышленных условиях, тяжелых в плане электромагнитного шума, рекомендуется применять экранированный кабель с витой парой. Экран, охватывающий проводники линии, защищает их от паразитных емкостных связей и внешних магнитных полей. Экран следует заземлять только в одной из крайних точек линии. Заземление в нескольких точках недопустимо: из-за разности потенциалов местных "земель" по экрану могут протекать существенные токи, которые будут создавать наводки на сигнальные проводники. Для защиты от радиопомех рекомендуется дополнительно включать в нескольких местах между экраном и заземлением специальные высокочастотные конденсаторы емкостью 1...10 нФ.


__________________
Программа делает то что написал программист, а не то что он хотел.

Добро всегда побеждает зло. Кто победил - тот и добрый.

Последний раз редактировалось Arsie, 07.12.2017 в 12:55
Arsie вне форума   Ответить с цитированием
2 благодарности(ей) от: