一種具有高可靠性的485 Hub星型總線

　　一、 概述

　　一些變電站采用支持多節(jié)點遠(yuǎn)間隔通訊的RS-485總線作為局部監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，但是由于485總線的物理結(jié)構(gòu)決定了在變電站強電磁環(huán)境的通訊過程中需要解決其節(jié)點間存在的相互干擾這一題目，以此進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性。

　　二、 節(jié)點間的相互干擾對總線的影響

　　485總線上所有的下位機共享一個信號通道，這種物理結(jié)構(gòu)增加了節(jié)點間的公共阻抗耦合，節(jié)點之間產(chǎn)生相互干擾，因此在很大程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　首先，變電站的變壓器、中控室以及輸電線都會通過輻射在四周的通訊線上感應(yīng)出干擾電壓，我們在對485總線上某一節(jié)點A丈量時發(fā)現(xiàn)：

　　丈量結(jié)果顯示：節(jié)點間的電磁耦合對感應(yīng)電壓的幅值及頻率都有很大影響。由于通訊線為雙絞線，兩根通訊線上的感應(yīng)電壓可以為幅值及相位均相同的共模電壓。但是雙絞線的扭曲不可能完全一致，節(jié)距也不盡相等，所以線間會出現(xiàn)差模電壓。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的丈量共模電壓累計概率分布圖及概率公式，計算出 共模電壓落進(jìn)差模電壓的概率為 ，而485驅(qū)動/接收器接收到 的電壓時就會動作。因此，節(jié)點間的相互干擾增加了共模電壓數(shù)值以及出現(xiàn)差模信號的比例，從而增大系統(tǒng)誤動作的概率。

　　其次，變電站變壓器開關(guān)動作時將產(chǎn)生瞬變電磁場。圖1、圖2為某500kV變電站隔離開關(guān)斷開時，某控制信號線中感應(yīng)出的暫態(tài)電壓電流波形。

　　圖 1 控制線中的暫態(tài)電壓

　　圖 2 控制線中的暫態(tài)電流

　　可以看出，變壓器四周或者與之相連節(jié)點的信號線上的瞬間感應(yīng)電壓/電流均遠(yuǎn)高于485驅(qū)動/接收器的閾值電壓(12V)/電流(250mA)，因此，沒有良好的限壓裝置將燒毀節(jié)點的485驅(qū)動/接收器，更危險的情況是，總線上其它的節(jié)點將通過公共回路的耦合，必然感應(yīng)出相同幅值的高壓，使總線上所有的節(jié)點都受到影響。

　　最后，變電站室外通訊電纜屏蔽層會由于自然磨損、施工不當(dāng)或惡意破壞等因素，出現(xiàn)兩根通訊線短接，致使總線上一直處于邏輯0的狀態(tài)。根據(jù)RS-485協(xié)議，下位機把其解釋為一個新的數(shù)據(jù)起始位并且試圖讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)位，由于永遠(yuǎn)不會有停止位, 這便會產(chǎn)生一個幀錯誤結(jié)果,因此也就不會再有節(jié)點請求總線，網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓狀態(tài)。

　　三、 解決方法

　　盡管可以通過改善變電站現(xiàn)場工作環(huán)境，降低電磁污染，增加限壓裝置以及利用短路偏置等方法進(jìn)步RS-485總線的穩(wěn)定性，但是，不從根本上往隔離出現(xiàn)故障的節(jié)點，整個總線系統(tǒng)都將無法工作，因此只有進(jìn)步總線自身的可靠性，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作?；诖耍疚乃岢龅?85 HUB 星型總線一方面從物理結(jié)構(gòu)上完全隔離節(jié)點，同時還從軟件上進(jìn)步抗干擾能力，減少相互間干擾。

　　3.1 物理隔離

　　485 HUB中，采用與下位機數(shù)目相同的485驅(qū)動/接收器，分別與所有節(jié)點逐一對應(yīng)，各自獨立完本錢節(jié)點的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的任務(wù)。首先，HUB上的單片機截獲上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行地址確認(rèn)后，控制HUB中與這個地址節(jié)點相對應(yīng)的485驅(qū)動器輸出使能端，再將截獲的數(shù)據(jù)包原封不動的發(fā)送給驅(qū)動器，發(fā)送完成后，自動將驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為接收器，等待下位機的反饋信息。HUB中其它485驅(qū)動/接收器的使能端沒有受到控制指令，不改變狀態(tài)，只有選通的節(jié)點獨立通訊。

　　結(jié)構(gòu)示意圖：

　　3.2 軟件設(shè)計

　　在程序中加進(jìn)信息的多重判定、自動檢驗、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時的自動恢復(fù)等語句，一旦出現(xiàn)差模干擾導(dǎo)致的誤碼和亂碼，經(jīng)過程序辨別后，可以直接屏蔽。

　　為了防止干擾導(dǎo)致程序失控陷進(jìn)死循環(huán)，采用時間監(jiān)視器Watchdog芯片Max813L，監(jiān)控程序的運行以及單片機的電源供電。

　　軟件流程圖：

　　3.3 數(shù)據(jù)隔離

　　數(shù)據(jù)隔離的目的是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開，使現(xiàn)場執(zhí)行裝置與上位控制主機保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。在485 HUB中，在反饋信息的回路中加進(jìn)高速光電耦合隔離器6N137，使夾雜在輸進(jìn)開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸出回路的一側(cè)。

　　使用485 HUB后，再次丈量相同位置的節(jié)點A，其丈量值如下表：

　　1. 從丈量值中可以看到，485 HUB中節(jié)點之間的干擾明顯減小，物理隔離保證了節(jié)點的獨立性。

　　2. 經(jīng)過試驗驗證，485 HUB中即使某節(jié)點發(fā)生短路故障，其它節(jié)點仍能正常工作。

　　3. 由于變電站的實際情況，本次測試沒有捕捉到變壓器開關(guān)動作時HUB真?zhèn)€感應(yīng)電壓，但通過實驗室環(huán)境模擬，當(dāng)高于驅(qū)動器閾值的瞬態(tài)脈沖電壓出現(xiàn)在某路節(jié)點的通訊線上時，其它節(jié)點沒有受到干擾。

　　因此，485 HUB星型總線保證了當(dāng)一路節(jié)點出現(xiàn)強電磁干擾或短路題目時，不會影響總線的其它節(jié)點，進(jìn)步了MTBCF ，降低了MTTR，系統(tǒng)的可靠性得到改善。

　　四、 結(jié)論

　　就其物理結(jié)構(gòu)而言，這種485 HUB星型總線不同于傳統(tǒng)意義上的485總線，每個485驅(qū)動/接收器并沒有實現(xiàn)一發(fā)多收的總線功能，而是以點對點的星型連接實現(xiàn)了485 HUB的功能，可以說本方案中系統(tǒng)可靠性的進(jìn)步是以增加485驅(qū)動/接收器的數(shù)目為代價的。但是，485 HUB結(jié)構(gòu)簡單，對工作環(huán)境要求不高，其高可靠性和穩(wěn)定性特別適用于變電站這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，因此就其性價比而言，超過了傳統(tǒng)的485總線。

　　RS-485 HUB星型總線已經(jīng)運用在一些變電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，運行穩(wěn)定，抗干擾能力較之以前有所進(jìn)步，可以滿足現(xiàn)場要求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 祿貴禎 蔣克華 通訊系統(tǒng)中的電磁兼容理論與技術(shù)[M] 北京廣播學(xué)院出版社 2000

　　[2] Jan Axelson (著) 精英科技 (譯)串行端口大全[M] 中國電力出版社 2001

　　[3] 孫竹森 張禹芳 張廣州等 500KV變電站的電磁騷擾和防護(hù)措施的研究(一) 高電壓技術(shù)[J] 2000年2月