工控系統的通信抗干擾技術

一個工控系統常常由幾臺、幾十臺甚至更多的工業控制機組成各種形式的分布式測控系統。直接控制級（DDC）可以獨立完成本地的數據采集和控制任務，主站負責系統的管理。所有的機器連接成網絡互通信息，就可以完成以整體目標為宗旨的相互協調配合，達到更高的控制水平和管理層次。系統的通信因此就成為所有的機器協調一致的關鍵環節。對于工控系統的設計者來說，面對工業現場嚴重的干擾，提高通信網絡的抗干擾能力無疑是非常重要的事。

1 給RS232C通信接口加裝光隔電流環的抗干擾措施

RS232C是微機之間最常用的點對點串行通信接口，但RS232C的抗干擾能力很差。這是由于RS232C采用單端信號傳輸，而它的連接電纜把它所連接的兩臺機器的地又連接在了一起，因此，當兩個地線之間的地電位不一致時，就有共模干擾電壓產生。于是就造成了嚴重的干擾，甚至燒毀接口器件。如果給RS232C加裝一個光隔電流環，就可以隔斷兩個地之間的聯系，從而極大地提高其抗干擾能力。圖1是RS232C加光隔電流環的電路原理圖。圖中，U1是工控機1的RS232C發送接口芯片1488，U2是工控機2的RS232C接收接口芯片1489。它們之間的通信信道已經由T1、T2組成的光隔電流環驅動。當工控機1發送“0”時，U1輸出約+11 V，它使光隔管T1的發光二極管發光，使得T1的光電三極管導通，其發射極輸出電流i。電流i通過通信線路，驅動光隔管T2的發光二極管發光，使得T2的光電三極管導通，其發射極輸出電壓約+11 V，接收芯片U2轉換該電壓成為TTL電平“0”。當工控機1發送“1”時，T1、T2截止，通信線路沒有電流，T2的發射極輸出-12 V，U2轉換它成為TTL電平“1”。圖中的C1、D2，C2、D3起加速作用。本電路經實際使用，可以構成幾公里的通信。需要注意的是，光隔電流環的電源一定要選用與工控機電源隔離的電源。接地點D1、D2、D3各自獨立于各自的體系，不能混接！由于工控機和外電路完全隔離，因此顯著地提高了工控機的抗干擾水平。

對RS232C進行光隔電流環改造，隔斷了工控機與外界的電的聯系，顯著地提高了工控機的抗干擾能力。而且這種改造只是在插口上進行，不涉及到工控機內部的電路，因此簡單易行。圖1省畫了工控機2發送到工控機1的通信接口電路，它與圖1是對稱的。

2 采用RS422A、RS485通信接口，提高通信抗干擾能力

要想根本提高通信抗干擾能力，應當選用更好的通信接口RS422A。

2.1 RS422A的抗干擾性能

圖2示出了RS422A通信接口連接圖。它采用的是差動平衡驅動和接收電路。由于差動放大器具有很強的抗共模干擾能力，所以兩個不同的地線間的電位差形成的共模干擾受到很大的抑制。因此，RS422A通信接口的抗干擾能力比RS232C有質的提高。圖中，75LS174、75LS175是RS422A接口使用的一種芯片，它采用單一的＋5 V供電，應用方便。表列出了RS422A與RS232C的性能對比。從表中可見，RS422A的通信距離、速率和接口的性能等等都明顯地高于RS232C。

表 RS4232A與RS232C通信接口性能對比表

內容
RS422A
RS232C

接口工作方式
雙端
單端

最大電纜距離(m)
1200
15

最大傳輸速率(bps)
10 M
20 k

驅動器開路輸出電壓(V)
兩輸出間為6 V
±25

驅動器有載輸出電壓(V)
兩輸出間為2 V
±5～±15

驅動器斷電輸出阻抗(Ω)
在-0.25～+6 V之間為100 μA
300

驅動器輸出電流(mA)
±150
±500

接收器輸入阻抗(kΩ)
≥4
3～7

接收器輸入閾值(V)
-0.2～+0.2
-3～+3

接收器輸入電壓(V)
-12～+12
-25～+25

2.2 使用RS422A組成工控網

RS422A可以作為工控機網絡的物理層結構。圖3是用RS422A構成的星型工控網絡的接法。主站可以直接支持32個子站。用RS422A組網的優點是主站可以全雙工方式與子站通信。但由于網絡需要4根線連接，并且接線也較復雜，因此，人們常常使用它的變型 RS485通信網絡。

2.3 RS485及其總線型工控網

RS485串行接口與RS422A接口使用同一種類型的接口芯片，不同之處只是RS485采用半雙工方式通信。因此，它只需要兩根通信線，網絡連接更簡單?，F在，RS485已成為很多工控機和計算機網絡的物理層結構。例如，當今最熱門的全數字(智能)、全分散、全開放工控網絡Field bus，就是采用的RS485總線網。 圖4示意出了采用RS485組成的總線型網絡的連接方法。圖中，75176是專門用于RS485的通信接口芯片，它把RS422A的發送和接收差動放大器集成在了一起。每個發送驅動器可以直接驅動32個接收器。圖中的75174、75175示意的是某些只有發送器或者接收器的單向工作站的通信接口。

RS422A的系列接口芯片75172～75178是一整套支持RS422A和RS485通信網絡的接口芯片。它們組合接續，可以構成連通數十公里、數以百計工控機的工控網絡。

2.4 插頭方式轉換RS232C成為RS422A通信接口，提高抗干擾能力

RS422A通信接口電路可以做成插頭方式，插接于兩個RS232C通信接口之間，直接把RS232C改造成為RS422A通信接口。于是它的抗干擾能力得到了明顯的提高。常用來延伸通信距離和提高通信速率。目前這種產品市場上已有成品出售。由于使用方便，無需更改硬件和軟件，因此很受歡迎。

3 給RS422A通信接口加裝光電隔離電路，更進一步提高工控機的抗干擾水平

RS422A通信接口雖然大幅度地提高了通信電路的抗干擾能力，但是，它所連接的機器之間仍然有電的聯系。要想更進一步地提高工控機的抗干擾水平，應當把工控機與外界完全隔離開來。因此需要給RS422A通信接口加裝光電隔離電路。圖5是一種加裝光電隔離電路的方法。

圖5 具有光電隔離的RS422A通信接口

其中，光電隔離管T1、T2選用的是TTL電路型的，型號為6N137。它的一次與二次側的延遲時間tpd只有75 ns，因此速度遠遠超過普通光電三極管型的光隔管。因為普通的光隔管的tpd為3～6 μs。由于T1、T2把工控機和通信接口都隔離開了，因此工控機的抗干擾水平又上了一個臺階。圖中的75LS174和75LS175的三態控制端沒有畫出隔離控制電路。如果需要控制發送和接收時，可以使用普通光隔管，隔離工控機的開關量輸出口就可以了。另外，由于工控機2發往工控機1的通信電路與圖5對稱，因此也沒有畫出。

需要再次提醒的是通信接口的+5 V供電要使用獨立電源，即一定要與工控機電源隔離。而且G1、G2、G3三個地線也要各自自成體系，不可混接。

4 通信電纜的選用和終端匹配

RS422A的通信電纜最好選用具有屏蔽層的雙絞線，可以提高抗電場和磁場干擾的能力，同時也很經濟。在圖2中，L1、L2共一絞，L3、L4共另一絞。在圖4中的通信線是兩根，也要用共絞雙絞線。在圖5中通信線L1、L2共一個絞，電源線L3、L4共另外一個絞。雙絞線的屏蔽層最好單點接地。

雙絞線的終端要連接終端匹配電阻RT，減小網絡的反射，提高抗干擾能力。終端匹配電阻RT值最好取100～150 Ω，連接方法可以按圖2和圖4，但最好采用平衡匹配法。圖6是平衡匹配電阻的連接方法。圖(a)用于總線型網絡，而圖(b)的發送端串聯電阻匹配法多用于點對點通信。

5 結束語

工業控制系統通信抗干擾技術，硬件措施是根本。應當根據工控現場的具體情況組織實施。無論是選購現成的產品或者對其再進行改造，都要胸有成竹。除此之外，還應該采取必要的軟件抗干擾措施，例如CRC碼校驗算法等作為補充。通信線路的屏蔽和接地的操作，在另文《工控系統的屏蔽和接地抗干擾技術》中討論。通信線路的防雷方法，可以采用TVP瞬變電壓抑制器吸收，請參見另文《工控系統的電源抗干擾技術》。