西門子S7-200PLC的RS-485通信接口簡介及故障解析

　　1 引言

　　近年來，計算機控制已被迅速地推廣和普及，工業控制計算機、plc、變頻器、觸摸屏、機器人、柔性制造系統廣泛地應用于工業生產中。將不同的生產設備連在一個網絡中，相互之間進行數據通信，實現分散控制和集中管理，是計算機控制系統發展的大趨勢，所以，工廠自動化網絡和plc的通信是工業控制中的重要研究課題。通信的方式包括并行通信和串行通信。并行數據通信方式是以字節為單位的數據傳輸方式，除了8根或16根數據線、一根公共線外，還需要通信雙方聯絡用的控制線。并行通信的傳輸速度快，但是傳輸線的根數多，成本高，一般用于近距離的傳輸，例如計算機于打印機之間的通信。串行數據通信方式是以二進制的位(bit)為單位的數據傳輸方式，每次只傳送一位，除了公共線外，在一個數據傳輸方向上只需要一根數據線，這根線既作為數據線又作通信聯絡的控制線，數據信號和聯絡信號在這個線上按位進行傳送。串行通信需要的信號線少，最少的只需要兩根線(雙絞線)，適用于距離較遠的場合。計算機和plc都有通用的串行通信接口，工業控制中一般使用串行通信。

　　2 西門子s7-200plc的rs-485通信

　　2.1串行通信的接口標準

　　串行通信有三種接口標準：rs-232c、rs-442a和rs-485。rs-485是rs-442a的變形，rs-442a是全雙工，兩對平衡差分信號線分別用于發送和接收。rs-485只有一對平衡差分信號線，不能同時發送接收。

　　使用rs-485通信接口和雙絞線可以組成串行通信網絡，構成分布式系統，系統中最多可以有32個站，新的接口器件已允許鏈接128個站。

　　2.2s7-200的網絡通信協議

　　s7-200的網絡通信協議包括：點對點接口協議(ppi);多點接口協議(mpi);profibus協議;tcp/ip協議;用戶定義的協議(自由端口模式)等多達5種類型。

　　2.3 西門子s7-200plc的rs-485通信

　　串行通信是西門子工業網絡通信中一種經濟、有效的通信方式，rs-485是其最重要的組成部分。圖中r1、r2是阻值為10歐的普通電阻，其作用是防止rs-485信號d+和d-短路時產生過電流燒壞芯片，z1、z2是鉗制電壓為6v，最大電流為10a的齊納二極管，24v電源和5v電源共地未經隔離，當d+或d-線上有共模干擾電壓灌入時，由橋式整流電路和z1、z2可將共模電壓鉗制在±6.7v，從而保護rs-485芯片sn75176(rs-485芯片的允許共模輸入電壓范圍為：-7v～+12v)。該保護電路能承受共模干擾電壓功率為60w，保護電路和芯片內部沒有防靜電措施。

　　2.4rs-232與rs-485的轉換

　　由于pc機的串口是rs-232接口，plc的串口是rs-485接口，所以二者的通信要用到pc/ppi電纜，rs-232接口與rs-485接口的引針對應關系如表1、表2。

　　3 常發生的故障解析

　　3.1常見的故障現象

　　當plc的rs-485口經非隔離的pc/ppi電纜與電腦連接、plc與plc之間連接或plc與變頻器、觸摸屏等通信時時有通信口損壞現象發生，較常見的損壞情況如下：

　　(1)r1或r2被燒斷，z1、z2和sn75176完好。這是由于有較大的瞬態干擾電流經r1或r2、橋式整流、z1或z1到地，z1、z2能承受最大10a電流的沖擊，而該電流在r1或r2上產生的瞬態功率為：102×10=1000w，當然會將其燒斷。

　　(2)sn75176損壞，r1、r2和z1、z2完好。這主要可能是受到靜電沖擊或瞬態過電壓速度快于z1、z2的動作速度造成的，靜電無處不在，僅人體模式也會產生±15kv的靜電。

　　(3)z1或z2、sn75176損壞，r1和r2完好。這可能是受到高電壓低電流的瞬態干擾電壓將z1或z2和sn75176擊穿，由于電流較小和發生時間較短因而r1、r2不至于發熱燒斷。

　　3.2 故障的原因分析

　　由3.1中的分析得知plc接口損壞的主要原因是由于瞬態過電壓和靜電造成，產生瞬態過電壓和靜電的原因很多也較復雜，如由于plc內部24v電源和5v電源共地，24v電源的輸出端子l+、m為其它設備混合供電可能導致地電位變化，從而造成共模電壓超出允許范圍。所以eia-485標準要求將各個rs485接口的信號地用一條低阻值導線連接在一起以保證各節點的地電位相等，消除地線環流。

　　(1)當帶電插拔未隔離的連接電纜時，由于兩端電位不相等電路中又存在諸多電感、電容之類的器件，插拔瞬間必然產生瞬態過電壓或過電流。基于此考慮，在進行通信接頭插拔的時候，盡量使設備處于斷電狀態。

　　(2)連接在rs-485總線上的其它設備產生的瞬態過電壓或過電流同樣會流入到plc，總線上連接的設備站點數越多，產生瞬態過電壓的因素也越多。

　　(3)當通信線路較長或有室外架空線時，雷電是必須考慮的干擾。雷電是主要的自然干擾源，雷電產生的干擾可以傳輸到數千公里以外的地方。雷電干擾的時域波形疊加成隨機脈沖背景上的一個大尖峰脈沖，這個能量巨大的尖峰脈沖必然會在線路上造成過電壓，造成plc等通信網中所連設備的損壞，應該加以避免或降低損壞程度，減少損失。

　　4 解決方法

　　4.1 從plc內部考慮

　　(1)采用隔離的dc/dc將24v電源和5v電源隔離，我們分析了三菱、歐姆龍、施耐德plc以及西門子的profibus接口均是如此

　　(2)選用帶靜電保護、過熱保護、輸入失效保護等保護措施完善的高擋次rs-485芯片，如：sn65hvd1176d、max3468esa等，這些芯片價格一般在十幾元至幾十元，而sn75176的價格僅為1.5元。

　　(3)采用響應速度更快、承受瞬態功率更大的新型保護器件tvs或bl浪涌吸收器，如p6ke6.8ca的鉗制電壓為6.8v，承受瞬態功率為500w，bl器件則可抗擊4000a以上大電流沖擊。若使用不帶故障保護的芯片，如sn75176，可在軟件上作一些處理，從而避免通信異常。即在進入正常的數據通信之前，由主機預先將總線驅動為大于+200mv，并保持一段時間，使所有節點的接收器產生高電平輸出。這樣，在發出有效數據時，所有接收器能夠正確地接收到起始位，進而接收到完整的數據。

　　(4)r1和r2采用正溫度系數的自恢復保險ptc，如jk60-010，正常情況下的電阻值為5歐，并不影響正常通信，當受到浪涌沖擊時，大電流流過ptc和保護器件tvs(或bl)，ptc的電阻值將驟然增大，使浪涌電流迅速減小。

　　4.2 從plc外部考慮

　　(1)使用隔離的pc/ppi電纜，盡量不用廉價的非隔離電纜(特別是在工業現場)。西門子公司早期出產的pc/ppi電纜(6es7901-3bf00-0xa0)是不隔離的，現在也改成隔離的電纜了。

　　(2)plc的rs-485口聯網時采用隔離的總線連接器，如pfb-g，速率為0～1.5mbps自動適應，外形和使用方法與西門子非隔離的總線連接相同。

　　(3)與plc聯網的第三方設備，如變頻器、觸摸屏等的rs-485口均使用rs-485隔離器bh-485g進行隔離，這樣各rs-485節點之間就無“電”的聯系，也無地線環流產生，即使某個節點損壞也不會連帶其它節點損壞。

　　(4)良好的接地是工控系統安全可靠運行的重要條件，對于工業通信網絡更是如此。在工業通信網絡中，至少有三種分開的地線，通過一點接地。第一條是低電平電路地線(即信號地線)，包括數字地、模擬地、信號地和直流地等;第二條是噪聲地線，即繼電器、電動機、高功率電路的地線;第三條是機殼接地點，專供機械外殼、機身、機架、地盤使用，此地線應該和交流電源的地線相接。交流電源地線應和保護地線相連，以達到避免因公告地線各點點位不均所產生的干擾。rs-485通信線采用profibus總線專用屏蔽電纜，保證屏蔽層接到每臺設備的外殼并最后接大地。

　　(5)對于有架空線的系統，總線上最好設置專門的防雷擊設施。

　　5 結束語

　　rs-485通信是工業網絡通信的重要組成部分，其網絡、接口故障是廣大工程技術人員經常遇到的問題，也是影響工控系統穩定運行的主要問題之一。處理好這一問題，保證通信系統的穩定、可靠運行，將打打提高工廠自動化的效率。本文的粗淺討論希望能給工程技術人員在處理實際問題以一定的幫助。